【Nature子刊】管吉松课题组揭示了ASH1L基因突变诱发图雷综合征的可能分子机制

  图雷特氏综合征（Tourette Syndrome、TS），一种抽动综合症（Tics），这是一种遗传性的神经内科疾病。TS症状包含声音型和运动型抽动综合症，会不受自主控制地发出清喉咙的声音或耸肩、摇头晃脑等，患者会表现出至少两种运动性抽搐症，以及结合至少一种发声性抽搐症，并且时间超过一年，通常TS发生于学龄前至青春期前，有一部分的患者会在青春期后大幅减轻症状。

TS的临床表现复杂，一般不会以单一抽动症状出现，常常与多种其他神经发展性和神经精神性疾病同时发生，包括强迫症、秽语症、注意力缺失多动症、学习障碍、睡眠障碍等症状。目前对于TS的治疗一般采用抗精神病药抑制症状，或行为治疗等。

乔治·吉尔斯·妥瑞 (1857–1904), namesake of Tourette syndrome

TS是一种发病机制复杂的遗传性疾病，目前其潜在遗传基础以及分子、神经机制仍然未知。

2019年10月31日，《Molecular Psychiatry》杂志发表了上海科技大学生命科学与技术学院管吉松课题组与青岛大学附属医院刘世国课题组、北京安定医院王传越课题组和美国贝勒医学院于福利课题组合作题为“Mutations in ASH1L confer susceptibility to Tourette syndrome”的最新重要工作[1]。该研究借助Ash1l^+/-小鼠模型揭示了人类ASH1L基因突变诱发TS的可能分子、神经机制，提高了人们对TS的认知。

TS关键词：不自主，且目前不可治愈。
ASH1L：是一个由位于1号染色体长臂22带的ASH1L基因所编码的组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶，是果蝇属Ash1基因的人类同源物。该蛋白中的SET结构域负责产生组蛋白甲基转移酶（HMTase）活性。

结果

1、TS患者在ASH1L基因存在错义突变

首先，作者借助全外显子组测序（Whole-exome Sequencing, WES）技术对临床病例进行分析，发现了图雷特综合症（TS）的一个风险基因ASH1L（图1），并对ASH1L突变的患者进行了临床随访，发现这些患者均患有严重的头部运动性抽搐及声语性抽搐症，并伴有睡眠质量差、学习困难等症状。随后，他们通过体外酶活测定实验发现在TS患者中发现的2个ASH1L基因点突变会导致其组蛋白甲基转移酶活性降低（图2a,b）。

图1 ASH1L突变与TS有关

2、Ash1l^+/-小鼠构建

基于上述临床案例的分析发现，作者进一步在小鼠模型上验证ASH1L基因突变与TS行为的因果关系。他们借助CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了缺失ASH1L的突变体小鼠，行为学实验发现1月龄的Ash1l杂合子小鼠（Ash1l^+/-）显示了类似图雷特综合症的症状，表现为明显增加的头部运动性抽搐（图2c,d）。值得注意的是，他们还发现Ash1l^+/-小鼠自我捋毛行为增加（图2e），过度的自我捋毛与神经精神性疾病密切相关，包括自闭症和强迫症，它们是TS最为常见的并发症[2-6]。

图2 1月龄Ash1l^+/-小鼠显示了类似图雷特综合症的症状

研究还发现老年突变小鼠（11-13月龄）也有类似的抽搐和重复的自我捋毛行为（图3b,c）。此外，部分老年小鼠出现明显的皮肤损伤（图3a），这部分小鼠表现出更加频繁的抽搐和自我捋毛行为（图3b,c），提示了皮肤损伤可能是由于有强迫性行为的Ash1l^+/-小鼠过度自我捋毛所致，然而，这并不能完全排除病变本身改变捋毛行为的可能性。

随后，作者发现haloperidol（氟哌啶醇，用于治疗TS，有较强的多巴胺D2受体拮抗作用）可以缓解幼年和老年Ash1l^+/-小鼠的抽搐和自我捋毛行为（图2f,g，3d,e），提示了Ash1l基因突变可导致小鼠自发抽搐和重复自我捋毛行为的增加，haloperidol药物可有效逆转这一现象。

图3 11-13月龄Ash1l^+/-小鼠显示了类似图雷特综合症的症状

3、Ash1l^+/-小鼠背侧纹状体神经过度兴奋

有研究显示[7,8]，皮质-基底神经节回路，特别是背侧纹状体的失调与动物抽搐和重复自我捋毛行为有关。基于此，作者用c-Fos标记技术发现c-Fos在Ash1l^+/-小鼠背侧纹状体的表达明显升高（图4a-d），提示了Ash1l^+/-小鼠纹状体神经元过度活跃现象。

图4 Ash1l^+/-小鼠背纹状体神经活动异常

4、Ash1l^+/-小鼠背侧纹状体多巴胺浓度增加

研究发现基底神经节环路多巴胺能调节的中断与TS异常行为有关[9]。他们在小鼠背侧纹状体注射AAV-hSyn-DIO-DA1h和AAV-CAG-Cre混合病毒（1:1混合，病毒注射量1ul），借助DA sensor（多巴胺探针）[10]记录Ash1l突变小鼠纹状体多巴胺的释放量（图5a,b），结果发现，与WT小鼠相比，Ash1l^+/-小鼠纹状体多巴胺释放量显著增加，经过haloperidol药物诱导后，WT和Ash1l^+/-小鼠纹状体多巴胺释放量均减少（表现为DA荧光信号减弱），且其之间的差距减少（图5c,d）。

最后，作者为了进一步验证，他们给予WT小鼠Ritalin（利他林，与多巴胺转运体结合并抑制其作用）处理发现，多巴胺浓度增加（5c,e）。

以上数据提示了，Ash1l对抑制多巴胺的释放和神经元活动的升高至关重要。

图5 Ash1l^+/-小鼠背侧纹状体多巴胺浓度增加

结论

本篇文章借助全外显子组测序、CRISPR基因编辑技术、行为学、多巴胺探针等技术手段研究发现，TS（图雷特氏综合征）患者在ASH1L基因存在错义突变，随后，在Ash1l^+/-小鼠模型中进一步验证Ash1l的功能，发现Ash1l对抑制多巴胺的释放和神经元活动的升高至关重要，揭示了ASH1L基因突变诱发TS的可能分子、神经机制。该研究为了解TS的发病机理提供了新的视角，同时也为未来研究TS提供了一种可能的动物模型--Ash1l^+/-小鼠模型。

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参考文献

[1] Shiguo L, et al., Mutations in ASH1L confer susceptibility to Tourette syndrome. Molecular Psychiatry. 2019, DOI:doi.org/10.1038/s41380-019-0560-8.

[2] Kalueff AV, et al., Neurobiology of rodent self-grooming and its value for translational neuroscience. Nat Rev Neurosci. 2016;17:45–59.

[3] Schmeisser MJ, et al., Autistic-like behaviours and hyperactivity in mice lacking ProSAP1/Shank2. Nature. 2012;486:256–60.

[4] Shmelkov SV, et al., Slitrk5 deficiency impairs corticostriatal circuitry and leads to obsessive-compulsive-like behaviors in mice. Nat Med. 2010;16:598–602. 591–602.

[5] Xu M, et al., Ablation of fast-spiking interneurons in the dorsal striatum, recapitulating abnormalities seen post-mortem in Tourette syndrome, produces anxiety and elevated grooming. Neuroscience. 2016;324:321–9.

[6] Xu M, et al., Histidine decarboxylase knockout mice, a genetic model of Tourette syndrome, show repetitive grooming after induced fear. Neurosci Lett. 2015;595: 50–53.

[7] Baldan LC, et al., Histidine decarboxylase deficiency causes tourette syndrome: parallel findings in humans and mice. Neuron. 2014;81:77–90.

[8] McCairn KW, et al., The neurophysiological correlates of motor tics following focal striatal disinhibition. Brain. 2009;132(Part 8):2125–38.

[9] Jankovic J, et al., Tourette syndrome: evolving concepts. Mov Disord. 2011;26:1149–56.

[10] Sun F, et al., A genetically encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice. Cell. 2018;174: 481–496.e419.