Cereb Cortex︱突触后缺陷及多动性神经精神障碍相关异常行为新机制：Sapap4基因缺失
撰文︱白云霞，王田华
责编︱王思珍
最近的遗传学研究揭示了大量与自闭症谱系障碍（austism spectrum disorder）、精神分裂症（schizophrenia）和双相情感障碍（bipolar disorder）等精神疾病相关的风险基因，并且发现许多风险基因编码的是对兴奋性突触的发育、功能和可塑性至关重要的突触后蛋白[1-6]，这表明突触功能障碍可能在精神疾病的病理生理学中起关键作用[7-11]。因此，理解突触蛋白在大脑中的作用对于阐明精神疾病的致病机制和开发有效疗法十分必要。然而，尽管大规模的遗传学研究表明突触功能障碍是神经发育和精神疾病的一种潜在的共同病理机制，但许多关键突触蛋白的体内功能仍未被很好地了解，从而阻碍了这些疾病病理机制的阐明。
SAPAP4蛋白是一种突触蛋白，它是突触后支架蛋白家族SAPAP（SAPAP1-SAPAP4）成员之一，富集于兴奋性突触的突触后致密区（PSD）[12-14]。SAPAP蛋白直接与另外两种已知的支架蛋白家族SHANK和PSD95相互作用，形成PSD95-SAPAP-SHANK突触后支架复合体[12,15]，该复合体被认为是谷氨酸能突触中，突触后大分子信号传递的主要组织者。最近的研究发现Sapap4的mRNA或蛋白表达水平在许多神经和精神疾病包括自闭症、双相情感障碍、小脑共济失调以及脆性X染色体综合症中发生了改变[16-21]。这些证据提示SAPAP4可能在突触中起重要作用并与精神疾病有关，但SAPAP4在大脑中的确切功能仍然知之甚少。
2022年4月3日，华东师范大学心理与认知科学学院的李春霞副研究员团队与美国麻省理工学院大脑与认知科学系Mcgovern大脑研究所的冯国平教授团队合作在国际权威期刊Cerebral Cortex上在线发表了题为“Sapap4 deficiency leads to postsynaptic defects and abnormal behaviors relevant to hyperkinetic neuropsychiatric disorder in mice”的研究论文。该研究提供了SAPAP4在突触中发挥重要作用的证据，发现了SAPAP4功能障碍与躁狂症等多动性精神障碍间的潜在关联，为理解多动性精神疾病的病理机制提供了新思路。
为了解编码突触后支架蛋白的Sapap4基因在大脑中的功能，研究者首先利用遗传学手段构建了Sapap4基因缺失动物，并通过实验验证了Sapap4基因在脑中的表达缺失（图1）。
图1 Sapap4基因缺失动物的构建及验证
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
SAPAP家族蛋白作为PSD95-SAPAP-SHANK支架蛋白复合体的一部分，被认为是兴奋性谷氨酸能突触后致密区的核心组成部分[15, 22, 23]。前额叶皮层（PFC）是SAPAP4蛋白高表达的区域[16]，并且PFC与认知功能、精神疾病的功能障碍有关[24-26]，因此，研究者检测了SAPAP4功能缺失是否对PFC中突触后蛋白组成产生影响。结果发现，相比于对照动物，Sapap4基因缺失动物PFC中的PSD95、AMPA受体亚基（GluR1和GluR2）显著降低，而SHANK3蛋白水平明显升高（图2），这表明：这表明Sapap4基因缺失影响PFC突触后致密区的分子组成。
图2 Sapap4基因缺失导致PFC突触后致密区（PSD）的分子组成发生改变
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
Shank3基因的缺失（自闭症谱系障碍的单基因致病原因）和重复（与注意力缺陷多动障碍相关）都会导致神经发育障碍，这表明Shank3基因具有较强的剂量效应[15, 22, 23]。研究者在Sapap4基因缺失动物中发现SHANK3蛋白表达增加，结合先前关于SHANK和SAPAP相互作用的证据，那么SAPAP4是否调控Shank3的表达？研究发现，在Sapap4缺失动物PFC原代培养神经元中恢复Sapap4表达可使由于Sapap4基因缺失导致的Shank3 mRNA升高的表达恢复正常（图3），因此，Sapap4可能在Shank3转录调控中发挥重要作用。
图3 恢复Sapap4表达可纠正Sapap4基因缺失动物中Shank3 mRNA的表达
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
既然Sapap4基因的缺失会影响突触的分子组成，那么，Sapap4基因缺失是否会影响突触的形态和结构？研究者进一步研究发现，Sapap4缺失导致内侧前额叶皮层（mPFC）锥体神经元树突棘的密度显著降低（图4A,B），但对PSD的长度和厚度没有影响（图4C,D），这表明：Sapap4对正常突触连接的发育和维持至关重要。
图4 Sapap4基因缺失导致mPFC神经元树突棘密度降低
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
Sapap4基因缺失对神经元功能的影响在行为水平上有何体现呢？研究通过一系列行为学实验发现，Sapap4基因缺失动物在旷场实验中表现出多动行为（图5A-D），在悬崖躲避测试中表现出冲动行为（图5F），表明可能存在行为抑制缺陷；在强迫游泳和悬尾实验中均表现出多动和躁狂样行为（图5G-H）。而该动物表现出的多动行为不是由新环境引起，并且其总体运动功能没有异常，也不存在焦虑行为（图略）。
图5 Sapap4基因缺失动物表现出多动和“躁狂样”行为
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
已有研究发现在精神分裂症、双相情感障碍患者躁狂发作期间、注意缺陷/多动障碍（attention deficit hyperactivity disorder，ADHD）和其他几种精神疾病中具有感觉运动门控障碍，可用前脉冲抑制（PPI）测试评估[27-30]。研究者进一步发现，Sapap4基因缺失动物在前脉冲抑制测试中表现出缺陷（图6A）。此外，SAPAP4缺失动物的社交互动表现正常（图6B-C），但其记忆力存在缺陷（图6D-F）。这些行为数据表明：SAPAP4的缺失导致了多动、冲动、感觉反应降低和可能的学习和记忆缺陷。
图6 Sapap4基因缺失引起动物出现感觉反应降低和记忆力缺陷
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
安非他命（amphetamine）是一种临床上用于治疗ADHD的精神兴奋类药物，并且研究表明低剂量安非他命能够使不同的过度活跃动物模型的多动行为恢复正常[31, 32]。根据观察到的SAPAP4基因缺失动物的多动和冲动样行为，研究者进一步评估该动物的多动表型是否可以被低剂量的安非他命缓解，结果发现：Sapap4基因缺失动物对高剂量安非他命的反应降低，但反而表现出对低剂量安非他命的反应更敏感（图7），这和一些已报道的躁狂动物模型对低剂量安非他命的反应类似。总的来说：Sapap4基因缺失会导致分子和细胞水平的突触缺陷，这些突触变化伴随着过度活跃、冲动、感觉反应降低、记忆受损和对安非他命的敏感性增加等躁狂样行为，这与已报道的Shank3过表达动物的躁狂症样表型相似[2]。
图7 Sapap4基因缺失动物对低剂量安非他命表现出超敏反应
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
心境稳定药物如锂盐和丙戊酸钠（valproate）是临床上治疗双相情感障碍最常用的药物，并已被用于缓解动物模型中的过度活跃和躁狂样行为[2, 33]。研究者进一步检测了常用的心境稳定药物氯化锂和丙戊酸钠是否可以改善Sapap4缺失动物的行为异常。结果发现，丙戊酸钠显著改善了Sapap4基因缺失动物的多动行为（图8A-B），但饮用水连续给予10天氯化锂没有显著效果（图8C-D）。这表明：心境稳定药物丙戊酸钠，而不是锂盐，可以部分纠正Sapap4基因缺失动物的多动行为。
图8 心境稳定药物丙戊酸钠治疗部分纠正了Sapap4基因缺失动物的多动行为
（图源：T Wang et al., Cereb Cortex, 2022）
综上所述，本研究发现，Sapap4基因缺失导致分子和细胞水平的突触缺陷，包括前额叶皮层树突棘密度降低、突触后致密区（PSD）中的PSD95、AMPA受体亚基GluR1和GluR2水平降低，特别是，PSD中SHANK3水平升高。研究进一步表明，Sapap4可能在Shank3的转录调控中起重要作用。另外，SAPAP4功能缺失引起的突触改变还伴随着过度活跃、冲动、绝望/抑郁样行为减少、前脉冲抑制损伤、记忆缺陷和对安非他命的敏感性增加等多种异常行为，且其多动行为可以被临床用于治疗躁狂的心境稳定药物丙戊酸钠部分挽救。值得注意的是，研究发现的Sapap4基因缺失动物PSD中SHANK3蛋白表达的增加和表现出的多动躁狂行为，与之前报道的Shank3过表达导致动物“躁狂样”表型的结果相似[2]。
本研究发现了编码突触后支架蛋白的Sapap4缺失可能是导致躁狂症类似的异常行为的新机制，但具体是哪个脑区或神经环路直接参与其躁狂症样异常行为的发生还不清楚。我们目前正在利用该动物模型从分子、细胞、突触和行为学层面进一步探索，期待未来的深入研究有助于进一步阐明编码突触后支架蛋白的基因突变导致的突触功能改变和精神疾病的机制。
总体来说，这项研究提供了SAPAP4在突触中发挥重要作用的证据，并表明SAPAP4在调节与多动性神经精神障碍行为表型相关的回路功能中发挥着独特的作用，提示SAPAP4功能障碍可能在多动性神经精神障碍发病机制中扮演重要角色。因此，本研究为理解多动性神经障碍中异常行为产生的潜在机制，以及寻找潜在的治疗靶点提供了新见解。同时，本研究构建的Sapap4基因缺失动物有助于未来深入研究与多动性神经精神障碍相关的异常行为的神经机制。
原文链接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhac123
华东师范大学心理与认知科学学院硕士毕业生王田华、博士研究生白云霞和博士毕业生郑贤杰为共同第一作者，硕士毕业生刘馨侠、邢爽、王林斌对本文作出了重要贡献。合作研究者包括华东师范大学心理与认知科学学院的王惠敏教授和美国麻省理工学院大脑与认知科学系Mcgovern大脑研究所的冯国平教授。李春霞副研究员和冯国平教授为本论文的共同通讯作者。该研究得到了上海自然科学基金（16ZR1410100；20ZR1416600）、国家自然科学基金（31271134）、中央高校基本科研业务费专项资金、MIT James和Patricia Poitras精神疾病研究中心的支持。
通讯作者李春霞（左）、冯国平（中）；主要合作者王惠敏（右）。
（照片提供自：华东师范大学李春霞实验室）
王田华（左）、白云霞（中）和郑贤杰（右）为共同第一作者。
（照片提供自：华东师范大学李春霞实验室）
李春霞副研究员课题组的主要研究方向为1）精神疾病中异常行为的分子和环路机制研究；2）学习记忆及认知障碍的神经机制研究。感兴趣的研究生可查看网页：https://faculty.ecnu.edu.cn/_s9/lcx/main.psp
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制版︱王思珍
本文完