专家点评 iScience︱李岩团队揭示家族性癫痫分子机制
癫痫是一类严重的神经系统疾病，不仅直接威胁患者生命安全，也给患者家庭带来沉重的负担。癫痫的临床和遗传异质性都非常高，因而对其发病机制的研究还非常有限，更缺乏明确的治疗靶点。进行性肌阵挛性癫痫（Progressive Myoclonus Epilepsy，PME）是一系列退行性癫痫亚型，伴有共济失调和认知损伤[1]，对其分子、细胞机制的研究将为这类严重神经系统疾病的治疗带来曙光。
在早期数个PME家系中发现了PRICKLE1基因突变[2]，动物模型实验也显示，Prickle1突变能引起癫痫样表型[3, 4]。病理学和动物模型的实验提示中枢神经系统的脱髓鞘与癫痫的发生高度关联。而小鼠实验显示，除神经元外，Prickle1基因也在组成髓鞘的寡突胶质细胞中表达。Prickle1在神经元和胶质细胞中发挥了何种功能？这方面功能与其突变导致癫痫发生又有怎样的关系？
最近，中国科学院生物物理研究所脑与认知国家重点实验室的李岩课题组在iScience杂志发表了题为“Epilepsy Gene prickle Ensures Neuropil Glial Ensheathment through Regulating Cell Adhesion Molecules”的研究论文。该研究以果蝇为模型，揭示了Prickle基因调控神经元-胶质相互作用的分子机制，提出了新的癫痫发病模型。
PRICKLE1在果蝇中的同源基因prickle（pk）最初作为平面极性（planar cell polarity，PCP）通路的一员被发现和广泛研究的[5]。pk基因的两种主要的可变剪接体Pk和Sple被发现在PCP通路和癫痫致病方面都存在差异[3, 4]。在神经系统中，有研究关注了Prickle1在神经元发育、突触形成等过程中的作用，但对其在胶质细胞中的功能却一无所知。
在这项工作中，研究者发现了一个新的有强烈自发癫痫表型的pk突变体，将其命名为pkIG1-1，其两个剪接体的表达水平都显著降低。当给予果蝇脑部施加电刺激时，可以在突变体中诱导产生高频的强直放电。在没有外界刺激的情况下，自由活动的突变体果蝇会自发进入癫痫发作状态，表现为肌阵挛，共济失调甚至瘫痪。此外，在机械刺激下pkIG1-1果蝇可被诱导出更强烈的癫痫发作（图1）。
接下来，作者想知道究竟是神经元还是胶质细胞中的pk功能决定了癫痫的易感性。细胞特异性的挽救实验显示，在神经元和胶质细胞中过表达剪接体Sple都可以挽救pkIG1-1突变体的癫痫表型，但过表达Pk则没有挽救效果。这一结果提示了Sple在神经元和胶质细胞中都发挥了抗癫痫的作用。果蝇的胶质细胞可分为多种亚型，通过在各种亚型的胶质细胞中表达pk-RNAi，发现神经网鞘胶质（ensheathing glia neuropil，EGN）中pk的敲低能引发癫痫。而在pkIG1-1果蝇的EGN中特异性表达Sple则可以挽救其癫痫表型（图1）。这些结果表明，pkIG1-1突变体癫痫的发生是由于pk在神经元和胶质中，尤其是EGN中的功能异常导致的。
pk在神经元和胶质中发挥了怎样的功能呢？在果蝇幼虫外周神经系统中的免疫染色结果显示，Pk/Sple蛋白表达在包裹神经元的胶质细胞（wrapping glia）中。pk突变体的幼虫表现出外周神经元胶质包裹的缺陷，提示Pk/Sple参与了神经元-胶质相互作用的调控。与行为学结果相呼应，在成蝇脑中，能检测到Pk/Sple蛋白在EGN中的表达。研究者关注了蘑菇体（mushroom body，MB）这一脑区，它具有果蝇脑中最密集的神经网结构，在以往的研究中被发现与癫痫的易感性密切相关[6, 7]。作者在胶质细胞中表达了GFP，发现在突变体中，包裹MB的胶质细胞信号发生了显著降低（图2）。
作者进一步探究了pk调控神经元-胶质相互作用的分子机制。免疫染色实验证实，不论幼虫外周神经元还是成蝇MB中，介导胶质包裹的细胞粘附分子Nrg（neuroglian）在突变体中有显著降低和分布变化（图2）。以上结果表明，pkIG1-1突变体果蝇神经系统出现了胶质包裹的异常，而Nrg蛋白的异常调节很能是其分子基础。
生化实验显示，Pk和Sple不能直接结合Nrg蛋白，而是需要通过一个胞内的膜骨架结合蛋白Ank2（Ankyrin 2）的介导发挥调控作用。人源的Prickle1和Prickle2蛋白也能与人源的Ank3蛋白结合，显示出这类分子间相互作用具有进化保守性。那么Nrg和Ank2是否参与了pk突变体引发癫痫的过程呢？研究者发现，nrg和ank2的突变体果蝇也表现出了与pkIG1-1类似的表型，包括胶质包裹异常，强直放电和癫痫样行为学表型。另一方面，过表达Nrg和Ank2，包括在EGN中特异性过表达都可以挽救pkIG1-1的癫痫表型。这部分结果说明，pk突变导致的Nrg和Ank2功能异常是引发癫痫的重要因素（图3）。
值得注意的是，文章报道的几种蛋白的相互作用同样适用于人源蛋白，哺乳动物Prickle1也同样被发现在神经元和胶质细胞中均有表达，且Nrg的同源基因NFASC也被报道与癫痫的发生相关。这些线索提示本文发现的分子细胞机制是进化保守的，对哺乳动物乃至人类PRICKLE1相关的癫痫研究具有启发意义。这项工作提出了一个新的信号调控通路，将几种潜在的癫痫致病基因的联系在一起[8-12]，提示它们背后可能有共通的致病机制，为破解高度异质性的癫痫发病机制提供了新的思路，也为找到这类恶性神经系统疾病的诊断、治疗靶点带来了希望。
专 家 点 评
张永清，中国科学院遗传与发育研究所，研究员，博士生导师
世界卫生组织报告显示全球癫痫患者约6500万，占全球疾病总负担的5.0‰以上。我国患病率为7.0‰，1年内有发作的活动性癫痫患病率为4.6‰。尽管如此，癫痫的发病机制，尤其是基因突变如何导致大脑异常放电，是脑科学和神经疾病研究亟待解决的难题。
人类遗传学研究表明PRICKLE（平面极性蛋白复合体的核心组分）基因突变与癫痫发病密切相关，小鼠等多种动物模型研究印证了这一基因突变足以诱发癫痫。多年来国际同行的大量研究提出了PRICKLE基因突变导致癫痫的若干推测，包括突触发育、轴突转运及基因转录等，但这些模型都存在明显的缺憾。中国科学院生物物理研究所李岩研究团队报道了一个高自发癫痫发作的PRICKLE突变果蝇品系，并据此研究发现PRICKLE调控中枢神经系统中神经元-胶质细胞相互作用，即PRICKLE通过与Ankyrin结合进而调控细胞黏附因子Neuroglian。该研究通过在分子、细胞、组织和个体等多个层面的系统性研究，发现PRICKLE突变导致神经-胶质交互作用的缺陷，从而揭示了PRICKLE在神经系统中的新功能和新机制。更为重要的是，这个新提出的模型很好的串联了多个癫痫易感基因，从而为癫痫的药物研发和易感基因筛查提供了直接的理论指导。
通讯作者：李岩（左）；第一作者并通讯作者：陈彦博（右）
（照片提供自：李岩课题组）
李岩，中国科学院生物物理研究所脑与认知国家重点实验室研究员，博士生导师。实验室长期致力于神经发育与神经系统疾病，学习记忆及本能行为调控的神经分子机制研究。获得国家自然基金委重点项目、国家重点研发计划等项目资助。论文发表在Nat Commun, PNAS, Elife等国际期刊。
陈彦博，李岩课题组助理研究员。从事神经系统疾病发病机制和本能行为的神经调控方面的研究。论文发表在Nat Strut Mol Biol，Protein Cell，Hum Mol Genet等杂志。
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1. Kalviainen, R., Progressive Myoclonus Epilepsies. Semin Neurol, 2015. 35(3): p. 293-9.
2. Mastrangelo, M., et al.,PRICKLE1-related early onset epileptic encephalopathy. Am J Med Genet A, 2018. 176(12): p. 2841-2845.
3. Tao, H., et al.,Mutations in prickle orthologs cause seizures in flies, mice, and humans. Am J Hum Genet, 2011. 88(2): p. 138-49.
4. Ehaideb, S.N., et al.,prickle modulates microtubule polarity and axonal transport to ameliorate seizures in flies. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014. 111(30): p. 11187-92.
5. Merkel, M., et al.,The balance of prickle/spiny-legs isoforms controls the amount of coupling between core and fat PCP systems. Curr Biol, 2014. 24(18): p. 2111-2123.
6. Hekmat-Scafe, D.S., et al.,Seizure Sensitivity Is Ameliorated by Targeted Expression of K+-Cl- Cotransporter Function in the Mushroom Body of the Drosophila Brain. Genetics, 2010. 184(1): p. 171-183.
7. Saras, A., et al.,Investigation of Seizure-Susceptibility in a Drosophila melanogaster Model of Human Epilepsy with Optogenetic Stimulation. Genetics, 2017. 206(4): p. 1739-1746.
8. Bassuk, A.G., et al.,A homozygous mutation in human PRICKLE1 causes an autosomal-recessive progressive myoclonus epilepsy-ataxia syndrome. Am J Hum Genet, 2008. 83(5): p. 572-81.
9. Enneking, E.M., et al.,Transsynaptic Coordination of Synaptic Growth, Function, and Stability by the L1-Type CAM Neuroglian. Plos Biology, 2013. 11(4).
10. Hebbar, M. and H.C. Mefford,Recent advances in epilepsy genomics and genetic testing. F1000Res, 2020. 9.
11. Paemka, L., et al.,PRICKLE1 interaction with SYNAPSIN I reveals a role in autism spectrum disorders. PLoS One, 2013. 8(12): p. e80737.
12. Yoon, S., et al.,Usp9X Controls Ankyrin-Repeat Domain Protein Homeostasis during Dendritic Spine Development. Neuron, 2020. 105(3): p. 506-521 e7.