上海多校联合提出基于突触细胞生物学特征的自闭症社交障碍分型标准 | Cell Press对话科学家

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2022年11月29日，上海交通大学医学院附属新华医院李斐团队、复旦大学李伟广团队和张孝勇团队、华东师范大学梅兵团队等合作在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports上在线发表题为“Social deficits via dysregulated Rac1-dependent excitability control of prefrontal cortical neurons and increased GABA/glutamate ratios”的研究论文。该研究综合运用自闭症小鼠模型、行为学、小动物核磁共振波谱成像、光遗传学、化学遗传学、电生理、分子遗传学、细胞生物学等多种技术手段，面向自闭症社交障碍在病因学、行为表现方面的异质性和复杂性这一临床难题，通过解析大脑内侧前额叶皮层（mPFC）不同类型细胞上突触骨架调节蛋白（Rac1）活性双向改变引起的神经元兴奋性和特定神经递质含量变化及其与异常社交行为的精确对应关系，提出了基于突触细胞生物学特征的自闭症社交障碍分型标准，为理解自闭症社交障碍的共性病理机制、发展病因学指导下的疾病诊断和治疗新策略提供了重要的理论依据。

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自闭症是一种早期起病的、严重的常见神经发育障碍性疾病，发病率呈上升趋势，以社交障碍为核心症状。现有科学证据表明，诸多环境和遗传因素使部分儿童更有可能患上自闭症。自闭症致病原因复杂，临床症状异质性强，其干预和治疗仍是国际难题，目前临床上尚缺乏有效的治疗药物。因此，寻找自闭症社交障碍的共性神经机制，建立生物学机制指导下的临床症状分型标准，可能是发展自闭症精准诊疗新策略的重要突破口。

突触作为大脑通讯的基本单元，存在兴奋性和抑制性等不同类型。突触的兴奋性/抑制性失衡被认为是自闭症等精神神经疾病的根本发病机制。然而，自闭症多样化的社交障碍与特定类型突触失衡之间的对应规律还不清楚。在本研究中，研究团队聚焦小G蛋白Rac1这一突触骨架调节因子，致力于阐明Rac1活性失调引起社交障碍的突触细胞生物学机制。Rac1是一类核苷酸依赖型的分子开关，在与GTP结合的活化状态和与GDP结合的非活化状态之间进行相互转换，参与肌动蛋白动力学调控和突触重塑。临床证据表明，人群中RAC1功能获得型或缺失型基因突变均与自闭症密切相关。动物模型研究表明，脆性X综合征（Fmr1基因敲除小鼠，Fmr1 KO）、Shank3基因C末端缺失（Shank3^+/ΔC）等自闭症小鼠模型分别表现出Rac1活性上调或下调。然而，Rac1活性失调（上调或下调还是两者均可）是否以及如何导致社交障碍，而且是否依赖于细胞特异性的调控作用都还不清楚。

为明确Rac1活性改变与社交障碍之间的因果关系，研究团队利用病毒立体定位注射技术结合动物行为学实验发现，在社交行为关键脑区——mPFC双向操纵Rac1活性均导致小鼠社交能力下降。进一步利用小动物核磁共振波谱（MRS）技术测量神经递质发现，Rac1活性上调导致谷氨酸递质含量降低，不影响GABA递质；Rac1活性下调不影响谷氨酸递质，增加GABA含量。二者最终均导致mPFC抑制性/兴奋性比值失衡性增高。

mPFC脑区由不同神经元类型组成，包括兴奋性谷氨酸能神经元和抑制性GABA能中间神经元等。为研究不同细胞类型中Rac1活性改变如何参与社交障碍，研究团队进行了细胞类型特异的Rac1活性操纵，发现mPFC兴奋性神经元Rac1活性上调，导致谷氨酸能神经元兴奋性和谷氨酸递质含量降低；在小清蛋白（PV）阳性的抑制性中间神经元下调Rac1活性，导致PV神经元兴奋性和GABA递质含量增加，二者均导致小鼠社交新颖性测试（反映社交记忆）功能受损。对应地，利用化学遗传学或光遗传学激活谷氨酸能神经元可解救细胞类型特异的Rac1活性上调导致的社交障碍；化学遗传学失活PV神经元可解救细胞类型特异的Rac1活性下调导致的社交障碍。相比而言，在这两类神经元上进行相反方向的Rac1活性操纵，不影响社交行为。

插图1. mPFC不同类型神经元Rac1活性的双向改变导致社交障碍的示意图。其中，兴奋性谷氨酸能锥体神经元（PN）上Rac1活性上调，通过降低所在神经元兴奋性和谷氨酸递质含量，引起社交障碍，定义为“Rac1上调型”社交障碍；PV阳性抑制性GABA能神经元（PV）上Rac1活性下调，通过增加所在神经元兴奋性和GABA递质含量，引起社交障碍，定义为“Rac1下调型”社交障碍。相比而言，在PN下调Rac1活性或在PV上调Rac1活性，均不影响社交行为。自闭症模型小鼠Shank3B KO呈现出“Rac1上调型”社交障碍的行为表型。通过下调mPFC锥体神经元上Rac1活性或上调神经元兴奋性可有效纠正社交障碍。

根据上述发现，研究团队提出基于突触细胞生物学特征的社交障碍分型标准，即分为“Rac1上调型”（Rac1-up，主要累及谷氨酸能神经元，表现为谷氨酸递质含量降低）和“Rac1下调型” （Rac1-down，主要累及抑制性中间神经元，表现为GABA递质含量升高），二者均导致mPFC抑制性/兴奋性比值失衡性增高（见插图）。有趣的是，“Rac1下调型”社交障碍往往伴随新颖性识别的一般缺陷，而“Rac1上调型”社交障碍则主要表现为社交新颖性识别的选择性缺陷。

最后，研究团队选择一种区别于Shank3^+/ΔC（缺失Shank3基因C末端）的自闭症模型小鼠Shank3B KO（缺失Shank3基因PDZ结构域）进行测试，发现Shank3B KO小鼠在行为上表现出社交记忆功能受损，同时其mPFC区Rac1活性升高，谷氨酸能神经元兴奋性和谷氨酸递质含量均降低。该表现类似于“Rac1上调型”社交障碍，跟表现为“Rac1下调型”的Shank3^+/ΔC自闭症模型小鼠截然相反。为此，研究团队在Shank3B KO小鼠mPFC谷氨酸能神经元选择性地进行Rac1活性抑制或神经元兴奋性上调干预，发现均能明显改善该自闭症模型小鼠的社交障碍。

总之，该研究从突触细胞生物学的角度，建立了mPFC神经元Rac1活性异常以细胞类型特异的方式调节神经元兴奋性和突触抑制性/兴奋性比值失衡进而导致社交障碍的工作模型，揭示了Rac1活性双向改变引致不同类型社交障碍的融合生物学机制，使得自闭症社交障碍的分型成为可能，为发展生物学机制指导下的社交障碍干预新策略奠定了理论基础。

华东师范大学博士研究生马冰珂为该论文的第一作者。上海交通大学医学院附属新华医院李斐主任、复旦大学脑科学转化研究院李伟广研究员、复旦大学类脑智能科学与技术研究院张孝勇研究员、华东师范大学梅兵研究员为该论文的共同通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、上海市卫生健康委员会、上海市教育委员会等各级项目的支持。该研究还得到了华东师范大学袁小兵教授、殷东敏教授，昆明医科大学第一附属医院俞珏华研究员和中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所路中华研究员等的合作支持。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请研究团队接受了专访，请他们为大家进一步详细解读。

CellPress：

突触失衡在自闭症病理机制中处于什么地位？本研究揭示的突触失衡特征是唯一的吗？

李斐教授：

突触失衡是自闭症和其他大多数神经精神疾病的核心病理机制。准确地说，突触失衡被认为是理解大多数神经系统疾病机制的“最后通路”。不同的疾病类型，以及同一类疾病（如自闭症）中的不同亚类，具体呈现什么模式的突触失衡，需要逐案分析。在最新的这项研究中，我们利用了一种可跨模式动物和临床病人进行神经递质测量的核磁共振波谱成像技术，发现双向调控mPFC脑区Rac1活性最后都引起了抑制性/兴奋性比值增高型的突触失衡。作为这种类型突触失衡的支持证据，我们过去关于布美他尼治疗低龄重度自闭症患儿的临床研究发现，布美他尼的临床疗效与大脑岛叶皮层的抑制性/兴奋性比值下降有关，说明大脑皮层突触失衡的恢复有望作为临床治疗的客观生物标志物。尽管如此，我们还是相信，本研究揭示的突触失衡特征并不是唯一的，也存在抑制性/兴奋性比值降低型的突触失衡，依赖于未来更为广泛和深入的机制研究。

CellPress：

Rac1活性双向改变调节为什么特异性地影响兴奋性或抑制性神经元？其机制是怎样的？

李伟广研究员：

这是一个还未完全阐明的细胞生物学问题。在我们的研究中，Rac1活性增高选择性地抑制谷氨酸能神经元的兴奋性，Rac1活性降低却选择性地增强PV阳性GABA能神经元的活性。这些研究结果说明Rac1的生物学效应整体上是一致的，即都是抑制或限制（control）“调控响应神经元”的活性。我们对于Rac1抑制性调控神经元兴奋性的分子机制还没有系统认识，推测神经元的突触传递或内在兴奋性（比如不同类型膜离子通道的差异表达）可能都会受到影响。值得指出的是，Rac1活性调控的细胞类型特异性可能具有极为特殊的重要意义。基于Rac1在细胞生物学中的核心地位，我们推测多种增加自闭症患病可能性的遗传或环境因素，可能在特定脑区、特定细胞类型上通过Rac1依赖的细胞生物学机制，最终产生突触失衡并贡献于疾病症状。基于本研究揭示的从Rac1活性失调到突触失衡和社交障碍的基本规律，我们设想在肿瘤或其他系统研究中开发获得的Rac1信号通路调节剂、改变突触兴奋-抑制失衡老药（如前述的强效环形利尿剂布美他尼）都有望成为精准治疗自闭症社交障碍的备选方案。

CellPress：

针对Rac1活性异常介导社交障碍的细胞特异性机制，本研究利用Shank3B KO自闭症小鼠模型进行验证。该纠正策略在其它自闭症模型小鼠中是否普遍适用呢？

马冰珂博士：

我们研究发现，Shank3B KO小鼠mPFC中Rac1活性升高，谷氨酸能神经元兴奋性降低，谷氨酸递质含量降低，因此将其归为“Rac1上调型”社交障碍。针对这种社交障碍亚型，我们在模型小鼠谷氨酸能神经元选择性下调Rac1活性或上调神经元兴奋性，可明显纠正小鼠的社交障碍。对于Fmr1 KO自闭症小鼠模型，根据文献报道，其Rac1活性上调，推测可能适用我们这里给予Shank3B KO小鼠的纠正策略；但是对于Shank3^+/ΔC自闭症小鼠模型，根据文献报道，其Rac1活性下调，理论上不适用我们这里的纠正策略，或许适用上调Rac1活性或下调神经元兴奋性的相反策略。我们期待在未来的研究中，进一步测试这些理论推测，以完善和补充我们的研究发现。

CellPress：

为什么要对自闭症进行分型？对于疾病的诊疗有什么意义？

李斐教授：

我是一个临床医生，接触过太多的自闭症患儿，对于自闭症的病因异质性和临床复杂性有着切身的体会和了解。我们过去开展的布美他尼治疗低龄重度自闭症患儿的临床研究发现，不同自闭症患者对布美他尼的治疗效果存在非常大的差别，这也让我一直去思考自闭症分型的问题。我们尝试过神经影像学的方法，甚至也尝试过免疫指标与治疗效果的关联性分析，得到过一些线索，但还不充分。在这项研究中，我们从自闭症动物模型mPFC脑区的突触细胞生物学特征出发，成功建立了“Rac1下调型”和“Rac1上调型”两种社交障碍亚型的区分标准。当然，这两种亚型的行为特征还有所不同。“Rac1下调型”社交障碍往往伴随新颖性识别的一般缺陷，而“Rac1上调型”社交障碍则主要表现为社交新颖性识别的选择性缺陷。另外，两种自闭症社交障碍亚型的干预策略也不尽相同。当然，这些都只是动物模型的研究，未来还需要在人群中进行测试。根据我们这项最新研究，在临床实践中，我们可以根据社交障碍相关的综合行为分析，同时结合通过核磁共振波谱技术测量特定脑区（包括mPFC）的GABA/谷氨酸比值和各自的递质浓度，有望发展出一套精准评价自闭症社交障碍的新型诊疗工具。

作者介绍

李斐 

教授

论文最后通讯作者，李斐，儿科学博士、主任医师、教授、博士生导师，上海交通大学医学院附属新华医院/新华儿童医院副院长，上海交通大学医学院附属新华医院/发育行为儿童保健科主任，教育部和上海市儿童环境与健康重点实验室主任，先后获得国家自然基金“优秀青年”基金/“杰出青年”基金，上海市“领军”人才，上海市优秀学术带头人，国际自闭症研究学会（INSAR）Senior Mentor（全球16位），中华医学会儿科分会/发育行为儿科学组副组长，卫生部、共青团中央“青年岗位能手”，人民日报“国之名医•青年新锐”。以第一/通讯（含共同）作者发表50余篇SCI论文（I区杂志 29 篇），包括Nature Communications、American Journal of Psychiatry、Molecular Psychiatry、Cell Reports、JAMA Network Open、Pediatrics等顶级期刊。成果写入国际知名教科书，推动美国儿科和妇产科学会指南政策更新，并受邀为New England Journal of Medicine撰写综述。

李伟广

研究员

论文共同通讯作者，李伟广，复旦大学脑科学转化研究院研究员，博士生导师，附属华山医院双聘教授。上海市优秀学术带头人计划（青年）、上海市卫生健康学科带头人、上海市青年科技启明星计划、上海市青年拔尖人才开发计划、中国科协青年人才托举工程等人才支持计划获得者。致力于记忆原理及医学应用研究，解析情绪、摄食、运动等正常生命活动过程中包含的“记忆”内容及其痕迹生物学基础；以记忆的视角审视慢性神经精神疾病的症状演变和康复；探索外周或中枢规律性刺激使大脑活性发生“记忆”样长程改变的新模式及其可塑性机理，发展基于记忆原理的疾病干预新策略，推进临床转化应用。以通讯或第一作者（含共同）在Neuron、Molecular Psychiatry、Nature Communications、Science Advances、Cell Reports、National Science Review、Signal Transduction and Targeted Therapy等学术期刊发表论文三十余篇。

张孝勇

研究员

论文共同通讯作者，张孝勇，复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员，中国图象图形学会脑图谱专委会委员，中华放射学会国际交流工作组委员，MICS委员。主要从事磁共振成像和脑影像的人工智能分析研究，在磁共振代谢成像方向做出了若干原创性贡献。以通讯作者/第一作者发表学术论文30余篇，代表性成果发表在IEEE Transactions on Medical Imaging、Advanced Science、Cancer Research等期刊。研究成果曾被国际医学磁共振学会（ISMRM）官网以研究亮点报道。作为课题负责人主持多项国家自然科学基金项目及上海市项目，并以研究骨干参与国家自然科学基金重大项目、集成项目等。

马冰珂

博士研究生

论文第一作者，马冰珂，华东师范大学生命科学学院博士生，主要研究方向为自闭症的神经病理机制。

相关论文信息

▌论文标题：

Social deficits via dysregulated Rac1-dependent excitability control of prefrontal cortical neurons and increased GABA/glutamate ratios

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)01600-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111722

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