自闭症谱系障碍（ASD）是一种复杂的神经发育疾病，其病因与大脑早期发育过程中的分子紊乱密切相关。然而，传统测序技术难以捕捉细胞类型特异性的转录本多样性（尤其是选择性剪接事件），更无法区分“新生”与“旧有”RNA的动态变化，这使得在胚胎早期阶段解析ASD的分子机制充满挑战。今天分享的这项发表于《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》的研究，通过结合单细胞全长转录组测序与代谢RNA标记技术，首次在单细胞分辨率下绘制了小鼠大脑皮层发育的异构体动态图谱，并系统揭示了ASD模型中转录失调、剪接异常与细胞命运决定提前的分子基础，为理解ASD的发育起源提供了全新视角。

题目：Single-cell Isoform Sequencing Reveals Transcriptional Dysregulation in ASD Mouse Cortex Development

发表期刊：Genomics, Proteomics & Bioinformatics

影响因子：7.9

发表时间：2025−11−14

研究思路

研究结果

1. 发育中大脑皮层的细胞类型鉴定与转录谱分析

研究团队结合二代单细胞、单细胞全长转录组测序和4sU代谢RNA标记技术，成功绘制了正常和ASD（BTBR）模型小鼠多个胚胎发育时间点（E13.5，E15.5，E17.5）的单细胞基因与异构体表达图谱。尽管三代测序深度较低，但其鉴定的5种主要细胞类型（神经前体细胞、兴奋性/抑制性神经元、小胶质细胞、血管细胞）及18个亚型与NGS结果高度一致，并揭示了它们在胚胎期E13.5至E17.5的组成变化规律。

2. 神经元发育中的异构体切换与多样性变化

研究聚焦兴奋性神经元发育路径，发现从前体细胞向神经元分化过程中存在显著的异构体切换事件，如C1ta和Ergic3基因的不同异构体在前体细胞和神经元中优势表达不同，表明异构体特异性调控可能精细调节神经发生。更重要的是，研究发现异构体多样性在中间前体细胞（IPCs）中暂时性降低，这与细胞周期相关基因的活跃表达一致；而在向成熟神经元分化过程中，异构体多样性重新上升，涉及神经元投射、突触功能等相关基因的异构体激活，提示异构体多样性的动态变化是神经发育精准调控的重要层面。

3. 基于新生RNA的分析表明，细胞命运是预先决定的

通过分析4sU标记的新生RNA，研究发现了细胞命运决定的“提前”现象。基于新生RNA表达的机器学习模型预测显示，IPCs和迁移中神经元的新生转录组特征，分别更接近于下一发育阶段（迁移中神经元和成熟兴奋性神经元）的总RNA特征。这表明，细胞在形态分化之前，其转录程序已提前转向下一命运状态，为理解神经发育的时序调控提供了新证据。

4. 胼胝体投射神经元在自闭症谱系障碍的发病机制中受到显著影响

在ASD模型小鼠中，研究观察到上层神经元CPNs的出现时间明显提前（在E13.5即出现，而正常小鼠在E15.5），且这些提前出现的CPNs表现出不成熟的转录状态。免疫荧光染色证实了ASD皮层中上层SATB2+细胞的增多和深层BCL11B+细胞的分布改变。相关分析进一步发现，前体细胞中与线粒体功能（如 Atp5g1, Uqcrh）相关的基因表达与CPN比例正相关，提示能量代谢失调可能驱动了CPNs的过早生成。

5. 自闭症谱系障碍中的异构体转换事件与AS相关RBP调控因子

通过分析ASD CPNs中的差异转录本使用（DTU）事件，研究发现了大量的异构体切换，例如从功能性的Pabpc1-201向无功能的Pabpc1-204切换。上游调控分析揭示了29个可能参与异常剪接调控的RBPs，其中近60%（如MBNL1、DDX3X、CELF2）是已知的ASD风险基因。这直接将剪接调控异常与ASD的遗传病因联系起来，表明RBPs是连接遗传风险与大脑发育表型的关键分子枢纽。

6. 自闭症谱系障碍中异构体多样性的丧失与表观遗传因素相关

与正常发育相比，ASD皮层在多个细胞类型中均出现差异表达的异构体（DEIs），其中CPNs的变化最为显著。这些DEIs富集于突触功能、mTORC1信号和氧化磷酸化等ASD相关通路。更关键的是，ASD大脑表现出普遍的异构体多样性丧失，特别是在SCPNs和IPCs中。丢失的异构体通常表达量较低、长度较短，其对应基因在自噬、树突发育等通路中富集。研究进一步将这种多样性丧失与表观遗传改变联系起来，发现这些基因显著富集于H3K27ac修饰异常的区域，提示增强子活性紊乱可能通过影响剪接，导致ASD中转录本复杂性的降低。

总结

本研究结合4sU代谢性RNA标记技术与单细胞全长转录组测序技术，捕获小鼠胚胎皮层发育过程中的转录动态变化。研究发现，新生RNA可支持细胞命运的预先决定，并鉴定出调控深层及上层神经元发育的转录因子驱动异构体。此外，本研究以BTBR T+ Itpr3tf小鼠为模型，探究了胚胎发育阶段与自闭症谱系障碍（ASD）相关的异构体调控模式。

结果显示，在ASD模型小鼠的皮层组织中，胼胝体投射神经元（CPNs）出现早熟性发生，且细胞身份未成熟。这类CPNs存在异常的转录本使用模式，与之相关的RNA结合蛋白中，近60%为已报道的ASD风险基因。本研究鉴定出调控神经发生及ASD发病过程的异构体转换事件，同时观察到ASD模型小鼠存在异构体多样性降低的现象，该现象可能与组蛋白H3K27乙酰化水平失调相关。