Disease Models & Mechanisms：Gpr161的Pax3谱系特异性缺失与胚胎发育期间的脊髓神经管和颅面畸形有关

胚胎神经管是大脑和脊髓的前体，其发展涉及高度协调的多个细胞过程和信号事件。神经的失败导致神经管缺陷（NTD），这是一个先天性畸形家族，包括广泛的表型畸形，包括无脑畸形、脊柱裂（SB）、颅骨突和脑膨出。虽然NTD是人类第二大最常见的结构性先天性畸形，但它们复杂的病因尚未被彻底了解。

NTD并不总是孤立的畸形，因为它们有时与Chiari II畸形、Joubert综合征和Waardenburg综合征的风险增加有关，这表明这些综合征与NTD具有共同的遗传病因和/或发病机制。

此外，SB还有几种亚型，包括脊髓膜膨出、脑膜膨出、闭合脊柱畸形和SB隐匿。由于脊髓皮肤覆盖的异形，其中一些亚型被认为是SB的封闭形式，因为它们主要是神经后多细胞缺陷的结果。在人类中，封闭的SB，如晚期骨髓细胞膨出和脂肪肌膨出，通常伴有神经缺陷、骨科症状和肌肉骨骼问题。

然而，人类封闭SB的任何遗传变异尚未得到充分探索，很少有小鼠模型报告很好地代表人类封闭SB并研究封闭SB的病理发展。因此，对封闭形式的SB的分子和遗传发病机制尤其不甚了解。

形态信号传导，如维甲酸、声波刺猬（Shh）、骨形态发生蛋白（BMP）和典型的Wnt/β-catenin信号传导，在胚胎发育过程中的组织模式和器官形态发生中发挥着关键作用。Shh和典型的Wnt/β-catenin信号调节颅面发育和神经管形态发生中的背腹和前后模式。

具体来说，Shh形态原从腹侧大脑的神经外胚层、面部外胚层和分支内胚层分泌，并在颅面发育期间调节颅神经嵴细胞（CNCCs）的生存。此外，Shh形态原通过从地板板或脊索分泌来指定腹侧神经身份，而Wnt形态原则确定背部神经身份，因为它在神经管形态发生过程中从屋顶板分泌。

尽管Shh和Wnt在神经管发育过程中的作用相互冲突，但它们如何在分子水平上相互影响，尚未得到很好的探讨。因此，Shh和Wnt信号通路基因的任何突变，包括平滑（Smo）、融合抑制剂（Sufu）和蛋白激酶A（Pka，也称为Pkaca），都与人类和小鼠的颅面缺陷和NTD有关。

Pax3是一种含有成对盒基序的转录因子，主要表现在神经管的背神经上皮、迁移前神经冠细胞和发育中的胚胎中的前分离中胚层中。已经报道了几只带有NTD的Pax3突变小鼠，包括具有Pax3突变等位基因的斑点小鼠，如Sp、Sp2H和Spd。其中，Sp被认为是1型Waardenburg综合征的动物模型，其缺陷等位基因Pax3Rwa，该模型中包括NTDs。

此外，Pax3突变小鼠出现继发于异常心脏神经冠细胞迁移和骨骼肌缺陷的心脏流出道分离缺陷，支持Pax3在神经冠细胞衍生物中的作用。在人类中，PAX3的基因改造与Waardenburg综合征和SB的病因有关，这表明PAX3基因在这两种疾病中的致病作用。

G蛋白偶联受体161（Gpr161）是多种发育和细胞环境中Shh信号的真正阴性调节剂。它主要定位在原发纤毛中，并通过增加cAMP水平激活PKA，从而在没有Shh信号的情况下促进Shh靶基因转录失活的Gli3处理。Gpr161 null小鼠在胚胎日（E）10.5时是胚胎致命的，它们出现完全渗透的颅骨缺陷和后NTD，以及面部和四肢芽缺陷。Gpr161低形态突变小鼠表现出脊柱NTD和白内障。

此外，具有各种Cre系的Gpr161条件敲除（cKO）小鼠在后期胚胎阶段表现出Gpr161耗尽介导的发育缺陷，包括膜内/软骨内骨骼缺陷、前脑/中脑异常、脑畸形、肢体形成/模式缺陷，主要关注颅面和肢体发育。在SB患者和垂体梗阻断综合征患者中发现了GPR161遗传变异。

然而，尽管Gpr161在SB患者和Gpr161零型和低形态SB小鼠模型中的遗传影响，但其在脊髓神经管发育中的作用在很大程度上仍然未知。主要由于Gpr161零胚胎在E10.5中是致命的，而低形态小鼠的渗透率只有50%，因此使用现有小鼠模型充分了解Gpr161突变发展SB的努力有限。

2023年11月28日发表在Disease Models & Mechanisms的研究中，使用Gpr161 cKO小鼠与Pax3-Cre研究了Gpr161在小鼠胚胎发育期间颅神经冠和背神经祖谱系中的作用。本文发现Gpr161f/f;Pax3-Cre（以下简称Gpr161 cKO）小鼠存在颅面缺陷、颅骨拱顶/面部和椎骨骨骼缺陷以及脊髓神经管畸形。

此外，本文观察到Pax3基因表达部分是通过抑制Gpr161 cKO小鼠背椎神经管中的Wnt/β-catenin信号来下调的，这表明Gpr161介导的小鼠脊髓神经管发育的分子机制。

具有Pax3谱系特异性Gpr161缺失的胚胎出现构造肥大（后背神经上皮）、颅骨拱顶和面部骨发育不良（颅神经冠）、椎体异常（染色体）和脊柱二fida（后背神经上皮）的封闭形式。特别是，脊柱裂的封闭形式部分是由于Gpr161突变胚胎后背神经管中的Pax3和Cdx4基因表达减少，Wnt信号减少，而Shh信号增加。本文描述了Gpr161在后神经管发育中以前未报告的作用，并确认了其在小鼠颅神经冠和索米特衍生的骨骼生成和中脑形态形成中的作用。

Pax3谱系的Gpr161耗尽导致颅面缺陷和脊髓神经管畸形

这项研究揭示了Gpr161在小鼠胚胎发育过程中Pax3谱系中的关键作用。Gpr161 cKO小鼠表现出两种不同的表型畸形模式。一个涉及颅面缺陷，包括构造肥大和骨骼异常，这些缺陷在带有Wnt1-Cre的Gpr161 cKO小鼠中进行了表菌。第二种类型的发育改变涉及脊柱畸形，包括脊髓神经管和椎体骨骼缺陷，这是这项研究的一项新发现。

随后，研究人员观察到Gpr161 cKO胚胎中Shh信号增加，尾部/背管标志物Pax3和Cdx4的表达减少，通过全体原位杂交可视化。通过分别检查ABC蛋白水平和Axin2基因表达，进一步观察到Gpr161 cKO和KO胚胎脊髓神经管背侧的Wnt/β-catenin信号减少，表明Wnt信号参与Pax3基因调控。

原始出处

Sung-Eun Kim, Pooja J. Chothani, Rehana Shaik, Westley Pollard, Richard H. Finnell; Pax3 lineage-specific deletion of Gpr161 is associated with spinal neural tube and craniofacial malformations during embryonic development. Dis Model Mech 1 November 2023; 16 (11): dmm050277. doi: https://doi.org/10.1242/dmm.050277