介绍
本系统综述的目的是了解在三个关键风险因素基因DCX、COMT和FMR1背景下连接智力障碍 (ID) 和社会行为的遗传基础。在 Kwan 等人的研究中。[ 1] 作者使用了与我们类似的方法，该方法涉及根据基因组研究中发现的与自闭症谱系障碍 (ASD) 和 ID 相关的风险因素基因来识别与这些疾病相关的信号通路。在这项研究中，我们从与多种神经相关疾病相关的三个危险因素基因开始，通过文献综述发现它们在 Wnt 信号传导、神经元迁移、轴突和树突形态发生中趋同。为了提供进一步的见解，我们使用系统生物学方法来研究这些基因如何在分子和细胞水平上相互作用。我们的方法采用文献综述和对遗留 RNA-Seq 数据集的评估来识别与DCX、COMT、 FMR1存在于发育中的海马体中 [ 2 ]。使用综合基因组学方法评估基因相关性，其中包括基因集交叉分析[ 3 ]和功能富集[ 4 ]。通过评估蛋白质-蛋白质相互作用 (PPI) 网络，获得了有关DCX、COMT和FMR1之间关系的更多见解[ 5 , 6 ]。

海马神经发生和 Wnt 信号传导
在神经发生过程中，神经干细胞增殖、迁移并分化为成熟的神经元。新神经元的产生在发育过程中最为活跃，但在包括人类在内的许多物种中会持续一生[ 7 , 8 ]。海马神经发生以严格调控和连续的方式发生在齿状回 (DG) 的颗粒下区 [ 9 ]。众所周知，海马神经发生失调与多种神经系统疾病有关，例如 ASD、脆性 X 综合征 (FXS)和ID [ 10,11,12 ]。考虑到海马体在学习、长期记忆和情绪反应处理中的作用，这并不奇怪[ 13]。

海马神经发生受 Wnt信号传导调节，Wnt 信号传导被认为是胚胎和成人神经发生中的保守特征 [ 14,15,16 ]。Wnt 信号通路调节细胞命运决定、组织模式、神经元分化、轴突生长和引导、树突发育、突触功能和神经元可塑性 [ 17 , 18 ]。

Wnt 蛋白参与大脑发育的各个方面[ 19 ]。在神经元发育过程中，Wnt 蛋白结合卷曲受体、酪氨酸激酶受体或胰岛素样生长因子受体来激活蓬乱，从而根据细胞环境导致不同的命运 [ 20 ]。这包括基因转录、通过 Rho 家族的小 GTPases 调节轴突和树突形态以及突触前功能，进而调节神经元极性、树突棘形态和突触 [ 21 , 22]。Wnt/Dishevelled 轴还可能通过钙信号传导途径或其他途径中间体进行调节，以调节树突和轴突的引导和分支，以及突触形成和重塑 [ 20 , 23 ]。来自基因改造动物、细胞和人类研究的大量证据支持 Wnt 信号传导在 ID 和ASD中的作用[ 24,25,26,27,28 ]。自闭症谱系障碍 (ASD) 患者的 ID 差异很大。然而，在 [ 29 ] 两种情况共存的情况下，GSK3和CTNNB1基因密切相关 [ 26 ]30、31 ] 。 _ CTNNB1基因编码 β-连环蛋白，是经典 Wnt 信号通路的主要调节剂，与散发性 ASD 和 ID 相关 [ 1 , 29 , 32 ]。在小鼠中，条件性敲除小清蛋白中间神经元中的Ctnnb1会显着损害物体识别和社交互动，并增加重复行为 [ 24 ]。此外，来自调查 ASD 和 ID 的大规模外显子组测序研究的数据已识别出 CTNNB1 中的无义和错义突变 [ 30 , 33 ]。

DCX、FMR1和COMT在海马神经发生中的作用
我。DCX 在海马神经发生和疾病中的作用
DCX基因产物双皮质素可稳定微管并刺激其聚合，以促进发育中大脑中有丝分裂后神经元和皮质分层的迁移[ 34 ]。双皮质素通过微管发挥作用，在细胞内形成一个沿特定方向伸长的支架，改变细胞骨架并将神经元移动到目标位置 [ 35 , 36 ]。双皮质素被用作神经元分化和迁移标记物，以评估海马亚颗粒区（SGZ）神经发生过程的各个阶段[ 37 ]。正常双皮质素的缺乏会影响微管的稳定性、组织和运动，从而损害它们移动神经元的能力。36 ]。发育中大脑中的迁移神经元尤其受到影响，因为它们定位错误，从而破坏了连通性，从而导致神经系统问题[ 38 ]。

而双皮质素在微管稳定和神经元迁移中的作用已得到充分证实[ 39 ]。有证据表明双皮质素还通过肌动蛋白关联和树突分支和复杂性参与轴突引导[ 35,40,41 ]。

DCx基因敲除小鼠的海马锥体神经元具有简化的树突形态 [ 37 ]。在培养的大鼠神经元中敲除Dcx也导致树突形态的简化 [ 15 , 19 ]。相反，双皮质素的过度表达会增加树突的复杂性[ 37 ]。有趣的是，小鼠每日轻度应激会改变齿状回双皮质素阳性未成熟神经元的树突长度和复杂性[ 42 ]。

多种疾病与DCX变异相关，例如孤立性无脑畸形序列 (ILS)，这是一种以大脑发育异常为特征的疾病，导致大脑表面光滑（无脑畸形），而不是正常的脑回和脑沟 [ 43 , 44 ]。这会导致严重的神经系统问题，例如智力障碍和从婴儿期开始的反复癫痫发作。大多数导致 ILS 的DCX基因突变是双皮质素中单个氨基酸取代的结果，产生功能很少或没有功能的蛋白质 [ 45 ]。

皮质下带异位 (SBH) 是另一种与DCX基因突变相关的疾病 [ 46 ]。这种情况会导致大脑发育异常，其严重程度不如 ILS，但具有相似的病理学。在皮质下带异位的人中，一些本应属于大脑某个区域的神经元没有到达目的地[ 47 ]。神经元在大脑中不应该出现的区域停止迁移过程，并形成带状组织簇。与DCX相关的无脑畸形和 SBH 存在男性和女性差异主要导致半合子男性无脑畸形和杂合子女性 SBH 的突变。男性和女性都表现出语言障碍和癫痫发作，但两性之间的认知能力有所不同。男性表现出早期和严重的认知障碍，而女性的认知能力范围从轻度到重度[ 48 , 49 ]。

二. COMT 在海马神经发生和疾病中的作用
COMT基因编码儿茶酚-O-甲基转移酶，该酶催化甲基从 S-腺苷甲硫氨酸转移到多种神经递质（如多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素）中的儿茶酚胺。这种O-甲基化导致儿茶酚胺递质的主要降解途径之一。

COMT 具有可溶性和膜结合亚型，并在许多不同组织中表达。膜结合形式（MB-COMT）偏爱脑组织，尤其是海马体[ 50 ]。MB-COMT 位于突触前和突触后结构的轴突和神经元细胞体上[ 51 ]。通过计算机模拟、流式细胞术和细胞表面酶测定对 MB-COMT 方向进行分析表明，MB-COMT 的 C 端催化结构域位于细胞外空间，这表明 MB-COMT 可以使突触和突触外多巴胺失活。突触前和突触后神经元的表面[ 51 ]。

MB-COMT 由突触后神经元和/或周围神经胶质细胞表达（Gogos et al. 1998；Schott et al. 2010；Rivett et al. 1983b；Karhunen et al. 1995a；Matsumoto et al. 2003），调节突触多巴胺水平。Comt敲除小鼠中的多巴胺水平增加了 60% [ 7 ]（例如，Chen 等人，2004 年；Lebedeva 等人，2009 年；Grigorenko 等人，2007 年）。

COMT 定位也在树突中观察到 [ 51 , 52 ] 使用免疫电子显微镜对大鼠进行 COMT 定位，导致与突触后膜相关的树突和棘中存在反应产物 [ 50 ]。COMT 在前额皮质中尤其重要，该区域是与人格、执行功能、行为抑制、抽象思维、情绪和工作记忆相关的大脑区域 [ 53 , 54 ]。一些研究还证明了它与海马体 [ 55 , 56 , 57 ] 和神经发生的相关性 [ 53 , 58 , 59 ]]。COMT拷贝数升高与体外神经干/祖细胞增殖减少、体内海马颗粒层中其后代的迁移以及 CA2/CA3 区域海马体积变化相关[ 59 ]。COMT基因型影响小鼠和人类与问题解决和知识获取技能相关的工作记忆的成熟[ 40 , 41 ]。

COMT 和 Wnt 信号传导均与精神分裂症有关，据推测，精神分裂症是由与胚胎神经干细胞相关的异常神经发生引起的[ 60,61,62 ]。神经发生中 COMT 和 Wnt 信号传导之间的关系可能基于多巴胺调节。COMT基因长期以来被认为是精神分裂症的候选基因，因为它会降解多巴胺，并且精神分裂症患者的多巴胺水平升高[ 63 ]。Wnt 信号传导与精神分裂症相关，特别是通过作用于多巴胺 (D2) 受体下游的GSK3基因 [ 64 , 65]。诱发精神病的药物会增加 D2 受体，而用于治疗精神病的药物会改变 GSK3 信号传导。GSK3 磷酸化 CTNNB1，导致其降解和 Wnt 信号下调 [ 66 ]。

COMT还与 22q11.2 缺失综合征相关，该综合征是由 22 号染色体上包含 30-40 个基因的区域缺失引起的[ 58 ]。学习障碍和精神障碍，如自闭症谱系障碍 (ASD)、精神分裂症和注意力缺陷多动障碍 (ADHD) 与 22q11.2 缺失综合征相关 [ 67 , 68 ]。

患有这种疾病的个体每个细胞中只有一个COMT基因拷贝，而不是通常的两个拷贝，这使得他们更有可能患上神经精神疾病。COMT变异和多巴胺水平与自闭症谱系障碍有关 [ 69 ]。在一项对 52 名被诊断患有 ASD 的个体进行的研究中，COMT基因型和多巴胺水平与 ASD 表型严重程度相关 [ 69 ]。在另一项研究中，研究了两种 ASD 小鼠模型的多巴胺能效应，观察到小鼠品系之间酪氨酸羟化酶 (TH)（儿茶酚胺生物合成的限速酶）表达存在差异。BTBR/J 小鼠的 TH 减少，Fmr1水平正常-KO动物。两种菌株的纹状体多巴胺转运蛋白表达均减少。有趣的是，对Fmr1 -KO 动物应用鼻内多巴胺减轻了它们对社交新鲜感的损害，这与纹状体 TH 的减少有关[ 70 ]。（https://molecularbrain.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13041-020-00649-7）。

除了精神分裂症、 ID和 ASD 之外，多巴胺调节背景下的 COMT 功能也与成瘾和抑郁症相关[ 71,72,73 ]。

三. FMR1在海马神经发生和疾病中的作用
FMR1基因编码FMRP蛋白。多年的研究结果表明，FMRP 作为转运蛋白，将 mRNA 从细胞核运送到细胞中蛋白质组装的区域 [ 74 ]。据报道，Fmr1 -/-敲除小鼠模型中的神经发生发生了改变。动物表现出 DG 中神经元分化的增加，但添加到 DG 的神经元数量没有显着差异 [ 12 ]。FMR1和 Wnt 信号传导之间的联系得到了 GSK3β（Wnt 信号传导的负调节因子）在 FXS 动物模型中升高的发现的支持 [ 65]。用锂或 GSK3β 抑制剂纠正小鼠中增加的 GSK3 活性可挽救神经行为和大脑形态异常 [ 75 ]。此外，据报道，抑制 GSK3β 可以改善 FXS 小鼠模型中海马依赖性空间学习任务并恢复神经发生[ 65 ]。

FMRP 定位于轴突和树突[ 76 ]。涉及人类和小鼠的研究支持 FMRP 表达在正常脊柱形态发育中的作用 [ 77 , 78 ]。从具有 FXS 的供体和 FMRP 表达不足或根本不表达的动物模型获得的人类死后组织中获得的数据表明脊柱密度、脊柱长度和不成熟脊柱形态的增加[ 76 , 79 ]。

FMRP 对 mRNA 翻译具有抑制作用，并调节突触前和突触后末梢的翻译[ 80 ]。FMRP 对脊柱动力学和形态学影响的一个可能解释是通过影响局部 mRNA 翻译 [ 81 ]。FMR1基因中的三核苷酸重复突变是 FXS 的根本原因[ 82 ]。CGG 重复破坏基因表达，因此很少或不产生蛋白质[ 82 ]。FXS 是 ID 和 ASD 的单基因原因最常见的遗传形式之一 [ 83 , 84 ]。

方法
文献综述
使用 PubMed、Google Scholar 和 Online Mendelian Inheritance in Man 数据库进行文献综述，以确定与DCX、COMT和FMR1相关的常见主题 [ 85 ]。使用关键字关联搜索存储库和数据库。

基因集和评估
微阵列数据收集自 Allen Brain Database Developing Human Brain Atlas ( https:// human.brain-map.org/ , https:// human.brain-map.org/ )。为了获得数据，对DCX、COMT和FMR1进行了基因搜索。这些基因中的每一个都被用来在图谱中查询与发育中的海马体的相关性。

收集表达模式与 DCX、COMT 和 FMR1 相关的基因进行分析。与 |0.7 到 1.0| 范围内的 Pearson r 值相关 分析中考虑了这些因素（附加文件1：工作簿 S1）。其基本原理是研究具有相似表达模式的基因，以确定与神经发生、Wnt 信号传导、ID 和社会行为相关的 DCX、COMT 和 FMR1 特有和常见的相关性。

每个基因集均通过注释、可视化和集成发现数据库（DAVID，版本 6.8）使用基因本体论（GO）富集进行评估[ 86 ]。DCX、COMT 和 FMR1 相关基因之间的基因集重叠使用 Venny 2.0 [ 87 ] 进行评估，Venny 2.0 是一个在线程序，可以比较项目列表以确定共享和独特的基因。

网络分析
String 数据库（版本 11.0）用于为 DCX、COMT 和 FMRP 构建蛋白质-蛋白质相互作用网络 (PPI) [ 5 , 88 ]。该网络是基于经过实验验证的交互作用构建的，使用中等置信度得分 0.4。交互作用的组合分数是通过组合来自不同证据通道的概率来计算的，并针对随机观察交互作用的概率进行校正。第一个和第二个 shell 交互包含在网络中。该网络从 STRING 导出并在 Cytoscape（版本 3.7）中进行分析 [ 6 , 89 ]。使用 Cytoscape 插件 MCODE（版本 1.6.1）和 ClueGo（版本 2.5.7）识别网络集群和丰富的主题 [ 4，90 ]。网络中的节点已被手动排列以获得适当的可见性。

结果
为了研究这些基因如何相互作用，我们进行了文献综述，该文献综述支持 Wnt 信号传导、神经元迁移以及轴突和树突形态发生是在ID 和社会行为中连接DCX、COMT和FMR1的常见因素。根据文献综述的结果，我们检查了与DCX、COMT和FMR1相关的表达模式的基因 RNA-Seq 数据集在发育中的海马体中以获得进一步的洞察力。GO 注释用于识别与 Wnt 信号传导、神经发生、社会行为和 ID 相关的基因。在相关因素中，许多基因与Wnt 信号传导、神经发生和 ID 以及较小程度的社会行为相关（表1、2、3、4 ）。GO 分析的所有结果（包括生物过程、细胞定位、分子功能以及途径和疾病信息）均在附加文件2：工作簿 S2 中提供。

基因集重叠分析的结果旨在阐明这些基因如何在分子水平上相互作用，包括识别DCX、COMT和FMR1相关基因之间的共同基因。研究结果表明，有许多共享的相关基因与COMT、DCX和FMR1表达模式呈负相关，特别是在 ID 的情况下（CHAMP1、DCHS1、EML1、MCPH、TCF4、CTCF、FAT4、FXR2、GATAD2B、KIAA2022、SETBP1、TAF2、BCAP31、BRWD3、NUFIP1、ATRX）以及较小程度的社会行为（AUTS2、PCM1）。其他共享相关基因与神经发生、Wnt 信号传导、转录调控、微管和轴突相关过程相关（表5和附加文件2：工作簿 S2）。

大多数 ID 相关基因在DCX阳性相关基因和COMT阴性相关基因之间共享。一种可能的解释可能与COMT和DCX的作用及其对大脑结构和神经发生的影响有关。在精神分裂症患者中，COMT Val等位基因与较小的颞叶和额叶脑区相关[ 91 ]，并且如引言中所述，DCX变异会导致皮质和海马区严重的分层缺陷[ 92 ]。此外，有支持证据表明多巴胺神经传递的增加会刺激神经发生[ 93 , 94]。

COMT和FMR1之间的共享基因也呈负相关，并且与相似的相关主题相关（表5）。FMR1和DCX之间没有共同的相关基因。

为了获得进一步的了解，对经过实验验证的DCX、COMT和FMRP相互作用的蛋白质-蛋白质相互作用网络进行了分析。对网络拓扑和连接性的评估表明这些基因的各个 PPI 网络是连接的（图 1，附加文件3：工作簿 S3）。

DCX 和 FMRP 网络通过与 RNA 结合和细胞周期相关的蛋白质（如 FXR1/2 和 CYFIP2）更加高度互连，而 COMT 网络通过神经营养因子 S100B 与 DCX 和 FMRP 网络连接，S100B 增强啮齿动物模型中的海马神经发生，以及微管相关蛋白 MAPT（促进微管组装和稳定性）和 TUBA1A（微管的基本组成部分） [ 95,96,97,98 ]。

基于 PPI 网络模块的 GO 和通路分析的过度代表性主题分配为：模块 1. RNA 过程翻译起始延伸，模块 2. 微管微管蛋白细胞骨架细胞周期，模块 3. 有丝分裂细胞存活胚胎发育细胞生长形态发生组织修复，模块 4. 后期细胞周期有丝分裂、细胞分裂和泛素过程，模块 5. 肌动蛋白聚合细胞迁移，模块 6. 核运输、RNA 过程（图 1）。

对来自DCX、COMT和FMR1的神经发生相关基因的分析与丰富的功能类别相关，产生了 32 个组，并且在这些组内有 191 个 GO 注释。在这些类别中，有许多与轴突、树突和神经元过程以及其他几个相关分类相关（图 2 和附加文件4：工作簿 S4）。

结论
DCX、COMT和FMR1基因的多态性与严重且多样化的大脑发育和神经精神疾病相关。这些基因中的每一个都与身份和社会行为有关。为了研究这些基因如何相互作用，我们进行了文献综述，其中指出 Wnt 信号传导、神经元迁移以及轴突和树突形态发生是常见因素。

根据文献综述的结果，我们分析了发育中海马体中的基因表达模式，以获得额外的支持和深入了解这些基因之间的关系，以确定分子相互作用和可能连接它们的信号通路。这些分析的结果支持了文献综述的结果，并为后续研究提供了有用的信息。