Nature重大发现丨这么多自闭症风险基因原来受脱腺苷化的调控

撰文丨程然然

责编丨迦   溆

图片引自：https://psychprofessionals.com

自闭症 (autism spectrum disorder, ASD) 是一种复杂的遗传性症候群和精神发育类疾病【1】。引起自闭症的遗传因素具有很多，诸如遗传、免疫、围产期子宫内外环境等等，因此很难说明哪些基因是导致自闭症的主要因素【2】。目前已经证明基因突变破坏神经元突触的可塑性，进而导致神经环路异常是引起自闭症的直接原因。因此，发现一些有望恢复大脑突触可塑性的药物将有助于自闭症的治疗【3】。现在科学家已经发现了上百个与自闭症相关的突变基因，但是由于这些突变具有异质性【4】，很难找到一种可以针对大多数自闭症患者的治疗方法，因此找到一种在神经发育过程中对多种自闭症相关突变基因进行调控的调节因子显得十分重要。

近日，西班牙的José J. Lucas课题组与raúl Méndez课题组合作在Nature（Article）发表题为Autism-like phenotype and risk gene mRNA deadenylation by CPEB4 mis-splicing的研究，该研究发现了胞质多聚腺苷酸化元件结合蛋白4 (Cytoplasmic polyadenylation element binding proteins 4, CPEB4) 可利用自身的可变剪接通过脱腺苷化作用调控大量的自闭症相关基因的表达。也就是说，该研究找到了控制众多自闭症风险基因的关键开关，对于自闭症研究领域的意义是不言而喻的。

CPEB属于RNA 结合蛋白家族，具有4个家族成员，CPEB 1-4，可以通过CPE（cytoplasmic polyadenylation element，胞质多聚腺苷酸化元件）序列结合到靶mRNAs 3′UTR上，缩短或延长其poly A 尾进而阻遏或激活翻译。有研究表明敲除CPEB蛋白可以改善脆性X染色体症(Fragile X Pathophysiology)【5】，但是CPEBs是否与一系列神经发育障碍(包括ASD)的发生有关尚且未知。

研究人员首先利用RIP(RNA immunoprecipitation)技术发现ASD风险基因的mRNAs具有CPEs序列，是CPEB4的靶基因，可以与CPEB4 结合。CPEBs在先天性ASD患者中的表达是否有差异？研究人员分析了106例脑皮层的RNA-seq 数据发现CPEB1-3的mRNA水平和蛋白水平无显著差异，但CPEB4的mRNA水平升高，蛋白水平下降，这表明CPEB4的表达受转录后的自我调控（post-transcriptional autoamplification loop）的影响。

过去有报道表明，ASD中存在可变剪接。随后，作者分析了脑皮层 RNA-seq 数据，发现在ASD 样品中，只有CPEB4存在可变剪接，其形式主要依赖于外显子3和4缺失的剪接。通过分别分析full-length CPEB4、 CPEB4Δ3、CPEB4Δ4 和CPEB4Δ3Δ4在ASD中的表达，发现在ASD中Δ4/Ex4+ CPEB4比例增加，整体蛋白水平降低。研究还发现CPEB4可以通过CPE序列结合到先天性ASD风险基因的mRNAs上，缩短他们的poly A 尾进而阻遏翻译，降低蛋白表达（下图）。

作者还采用了多种转基因小鼠模型：杂合的CPEB4 KO GT/+、纯合的CPEB4 KO以及TgCPEB4Δ4的小鼠，来验证CPEB4基因4号外显子的缺失剪接是导致ASD风险基因mRNA的多聚腺苷酸化缩短、抑制翻译最终改变蛋白水平的主要原因。同时发现TgCPEB4Δ4小鼠在解剖水平、电生理水平以及行为等方面都表现出潜在的ASD风险，而且TgCPEB4Δ4小鼠的运动异常、通讯减弱、社会互动减少等症状均在多种单基因突变的ASD小鼠模型中可见，进一步证明了TgCPEB4Δ4小鼠模型是一个很好的模拟ASD的模型。

ASD患者致病基因的异质性在一定程度上加大了ASD治疗的难度，该研究发现了一个在神经发育过程中对多种ASD风险基因表达起调节作用的分子机制，即CPEB4的可变缺失剪接，该研究不仅可以帮助人们发现其他ASD潜在风险基因，而且有助于相关动物模型和临床研究，为开发ASD新型疗法提供了新的依据。

据Science Daily报道，该论文算得上是一个意外发现。本文的通讯作者José J. lucas表示，“他们是在小鼠模型中研究CPEB4的活性改变与蛋白表达的相关性时非常惊讶的发现了该蛋白的可变剪切能够影响大量的自闭症风险基因”，颇有点无心插柳的味道。事实上José J. lucas研究组近年来主要的研究对象是亨廷顿病。

参考文献：

1.    Hallmayer, J., et al., Genetic Heritability and Shared Environmental Factors Among Twin Pairs With Autism. Archives of General Psychiatry, 2011. 68(11): p. 1095-1102.

2.    Kim, Y.S. and B.L. Leventhal, Genetic Epidemiology and Insights into Interactive Genetic and Environmental Effects in Autism Spectrum Disorders. Biological Psychiatry, 2015. 77(1): p. 66-74.

3.    Geschwind, D.H. and M.W. State, Gene hunting in autism spectrum disorder: on the path to precision medicine. Lancet Neurol, 2015. 14(11): p. 1109-20.

4.    Gaugler, T., et al., Most genetic risk for autism resides with common variation. Nature Genetics, 2014. 46(8): p. 881-885.

5.    Udagawa, T., et al., Genetic and acute CPEB1 depletion ameliorate fragile X pathophysiology. Nat Med, 2013. 19(11): p. 1473-7.

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