该研究由王红艳教授(复旦大学妇产科医院生殖发育研究所、代谢与整合生物学研究所)、李劲松教授(上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所)、雷云平教授(贝勒医学院精准环境健康中心)领导。
神经管缺陷 (NTD) 是人类第二大最常见的先天畸形，每 1000 个活产婴儿中约有 1 个患有神经管缺陷，影响中枢神经系统的发育。超过 300 个基因与小鼠的 NTD 有关，其中包括 HSPG2 基因。然而，在辨别 NTD 的致病突变方面仍然存在相当大的临床障碍，尤其是考虑到通过对零星人类 NTD 病例进行 DNA 测序，发现 NTD 相关基因中存在大量罕见变异。
在这项研究中，Lu 等人在 369 例人类 NTD 中发现了 34 种罕见的杂合 HSPG2 突变，而 200 例对照中检测到了 8 种罕见突变。值得注意的是，在所分析的 300 个 NTD 相关基因中，硫酸肝素蛋白聚糖 2 (HSPG2)是最显著的。HSPG2编码基质蛋白 Perlecan，分泌肽 endorepellin 从该蛋白中裂解而来，源自 Perlecan 的结构域 V。然而，endorepellin 在神经发育中的确切作用仍不清楚。
他们提出，如果携带待查人类HSPG2突变的KI小鼠模型能够重现NTD，那么可以合理地将其归因于致病突变。他们利用类精子干细胞半克隆技术结合CRISPR/Cas9，在六个月内迅速生成了19个KI小鼠品系。尽管在NTD病例中发现的HSPG2全基因突变很少，但KI小鼠的表型分析显示，致病突变主要集中在Perlecan的V结构域，即endorepellin。更重要的是，他们证明了endorepellin与神经上皮细胞中的膜蛋白Neurexin相互作用。这种相互作用对于触发更高水平的自噬、抑制神经干细胞分化和促进正常的神经管发育至关重要。他们首次阐明了endorepellin和neurexin的相互作用促进神经上皮自噬，这对于维持神经管发育至关重要。
总之，本研究提出了一种用于识别复杂遗传疾病(如神经管畸形)致病突变的范例。生成点突变小鼠可能具有挑战性，尤其是当靶基因的双等位基因突变会导致小鼠不育或死亡时。基于精子样干细胞的半克隆技术有效地绕过了这一障碍，能够快速分析大量突变的致病性。使用同样由半克隆技术生成的双原位标签成功识别了配体蛋白内皮素和膜蛋白受体神经连接蛋白之间的体内相互作用。发现HSPG2致病突变导致的自噬激活中断和神经元分化抑制紊乱是神经管畸形发生的重要决定因素。神经干细胞过早分化会增加神经管畸形的风险，这一发现表明，神经干细胞的早期分化抑制剂可能作为治疗剂，用于预防由有害的HSPG2突变或内皮素功能中断导致的神经管畸形。
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