包括自閉症(ASD)和精神分裂症在內的幾種神經係統疾病與大腦發育中必不可少的基因——TCF4(轉錄因子4)的突變有關。轉錄因子負責調控其他基因的表達與關閉，因此，轉錄因子基因的突變會對發育中的胚胎帶來多米諾效應。但 TCF4 突變後，會對大腦帶來哪些影響，我們目前還知之甚少。

近日，加州大學聖地亞哥分校的研究人員在 Nature 子刊 Nature Communications 上發表了題為：Transcription Factor 4 loss-of-function is associated with deficits in progenitor proliferation and cortical neuron content 的研究論文。

該研究使用人大腦類器官揭示自閉症相關基因突變是如何破壞神經發育的，並通過基因治療恢複相關基因功能，有效挽救之前被破壞的神經結構和功能。

為了研究 TCF4 基因突變對大腦發育的影響，研究團隊聚焦在了 Pitt-Hopkins 綜合征上，這是一種由 TCF4 基因突變引起的自閉症，患兒存在嚴重的認知和運動障礙。但現有的 Pitt-Hopkins 綜合征小鼠模型無法準確模擬患者的神經特征。

加州大學聖地亞哥分校的研究團隊決定創建該疾病的人類模型，利用人工誘導幹細胞技術，他們將來自患者的皮膚細胞人工誘導為幹細胞，然後再培育成 3D 大腦類器官，並與來自正常細胞的大腦類器官進行對比。

該研究的通訊作者 Alysson Muotri 教授表示，即使不用顯微鏡，也能很輕易地分辨哪個具有 TCF4 基因突變的大腦類器官，TCF4 突變的大腦類器官比正常大腦類器官小得多。而且其中許多細胞實際上不是神經元，而是神經祖細胞。這些細胞本應分裂並發育成熟為神經元，但在 TCF4 基因突變的大腦類器官中，這一過程出現了問題。

進一步實驗表明，TCF4 基因突變導致下遊的 SOX 基因和 Wnt 通路失調，這是指導胚胎細胞分裂增殖、成熟為神經元並遷移到大腦中正確位置的兩個重要分子信號。由於這種失調，神經祖細胞不能有效地分裂增殖，因此產生的大腦皮層神經元較少，這還會導致大腦類器官的結構受損和神經活動異常，從而導致認知和運動功能受損。

基於這些發現，研究團隊嚐試對 TCF4 基因突變的大腦類器官進行基因治療。首先，研究團隊使用了 CRISPR 介導的轉錄激活，激活 TCF4 基因表達。以及直接使用腺相關病毒(AAV)載體或慢病毒(Lentivirus)載體遞送 TCF4 基因實現過表達。這兩種方法均能有效提高 TCF4 表達水平，並在分子、細胞和電生理學水平上逆轉 TCF4 基因突變大腦類器官的表型。這表明修複 TCF4 表達水平能夠重建神經係統，並實現功能上的治療作用。

該研究的通訊作者 Alysson Muotri 教授表示，這些研究和治療是在類器官水平上進行的，相當於產前大腦發育階段，而在臨床上，患兒往往在出生後才被診斷出來並接受治療。他還表示，對於這些孩子和他們的家人來說，任何能夠改善認知和運動功能及生活質量的治療方法都值得嚐試，但是還需要進一步確認這些治療方式對於已出生的患兒是否同樣有效，才能進行下一步的臨床試驗。目前，團隊正在優化基因治療工具，為臨床試驗做準備。

Pitt-Hopkins 綜合征研究基金會主席 Audrey Davidow 表示，這是一項出色的研究工作，他們超越了學術論文本身，並努力將研究發現轉化為真正的臨床應用，是科學改變人類生活的典範。