Cell Death Discov︱康九红团队发现NRG1有望成为宫内生长受限导致的精神分裂症的治疗新靶点

撰文︱东健沣

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

精神分裂症（schizophrenia）是一种严重的精神疾病，影响全世界大约1%的人口[1]，并且占据了全球人类疾病经济负担的3%[2]。在精神分裂症的病因中，除了遗传因素之外，孕妇怀孕期间子宫内环境异常也有很大的影响。流行病学调查结果表明，精神分裂症与早年并发症（early-life complications，ELCs）密切相关[3]。ELCs是指一系列在怀孕、生产以及新生生活中出现的不良事件。Meta分析表明，具有ELCs 史的患者罹患精神分裂症的概率会提高1.5-2倍[4]。宫内生长受限（Fetal growth restriction，FGR）是一种重要的ELCs疾病，影响全世界6%的孕妇。流行病学调查表明，早年有FGR史的人在成年后罹患精神分裂症的概率会翻倍[5]。但是，FGR 导致精神分裂症易发的潜在机制还不清楚。因此，深入认识FGR 导致精神分裂症高发的关键脑区以及分子机制对于靶向治疗FGR引起的精神分裂症至关重要。

2022年12月2日，同济大学生命科学与技术学院康九红教授课题组在 Cell Death Discovery上 发 表 了 题 为“NRG1 knockdown rescues PV interneuron GABAergic maturation deficits and schizophrenia behaviors in fetal growth restriction mice”的研究。该研究揭示了NRG1在调节宫内生长受限小鼠内侧前额叶皮层PV中间神经元GABA能成熟异常与精神分裂症行为中的重要作用。（拓展阅读：康九红团队相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：EMBO Rep｜康九红课题组发现lncRNA SOX1-OT调控人ESC神经元发生的新机制）

精神分裂症是一种严重的精神疾病，在早期生活中有FGR史显著提高罹患精神分裂症的风险。在这个研究中，作者发现FGR子代小鼠具有典型的精神分裂症行为学表现，包括自发运动的增加、社交缺陷、筑巢能力减弱、运动门控功能损伤和学习认知能力下降。机制研究表明，在FGR小鼠的内侧前额叶皮层（media prefrontal cortex，mPFC）中小清蛋白（parvalbumin，PV）中间神经元数量显著减少。另外，结果表明，一种精神分裂症发病关键基因NRG1的mRNA和蛋白水平在FGR小鼠的mPFC中显著升高。并且，通过病毒定位注射敲降FGR小鼠mPFC中NRG1可以显著提高FGR小鼠mPFC中PV中间神经元GABA能成熟，改善FGR导致的精神分裂症行为。作者提出，FGR小鼠mPFC中NRG1的上调是FGR诱导精神分裂症发生的主要原因之一，并且提出可以通过mPFC区域敲降NRG1 改善FGR导致的精神分裂症症状。这个研究为具有FGR史的精神分裂症患者提供了一种潜在的治疗手段。

一系列流行病学调查研究表明，FGR增加子代罹患精神分裂症的概率。本文中，作者通过孕鼠腹腔注射地塞米松的方式成功构建FGR小鼠模型。FGR新生小鼠体重、体长和脑重相对于正常小鼠有显著的下降（图1 a-c）。接着，作者对成年FGR小鼠进行精神分裂症行为学检测。结果表明，FGR小鼠表现出显著的自发运动距离的增加，而不会影响平均运动速度（图1 d,e）。三箱社交行为学实验检测表明，在社交接近阶段，FGR和对照小鼠在面对第一只陌生小鼠时都表现出相当的社交欲望（图1 f）。在社交新颖性检测中，当放入第二只陌生小鼠时，相比于正常小鼠，FGR小鼠对第二只陌生小鼠探索时间显著减少，这表明FGR小鼠存在社交新颖性的缺陷（图1 g）。小鼠筑巢实验是另外一种小鼠社交行为学检测，对照小鼠可以在24 h内完成筑巢任务，但FGR小鼠无法完成筑巢任务（图1 h）。按照小鼠筑巢1-5分评分标准对小鼠筑的巢进行评分，结果表明，FGR小鼠的巢分数显著低于对照小鼠（图1 i）。三箱实验和筑巢实验结果表明，FGR小鼠存在显著的社交能力缺陷。接着，作者还检测了小鼠的学习和记忆，因为精神分裂症患者会表现出显著的学习记忆下降。水迷宫是一种经典的检测小鼠空间学习记忆的实验，FGR小鼠空间学习能力（图1 j）和24h短期记忆存在显著缺陷（图1 k）。使用惊跳反射实验来检测小鼠的感觉运动门控功能。正常小鼠在受到一个较大声音刺激前如果给予一个较小的声音预刺激，它再次受到这个较大声音刺激的时候身体的惊跳反射会减小。但是，精神分裂症小鼠在接受这个实验的时候，预刺激无法降低声音刺激引起的惊跳反射。对照小鼠的PPI随着预刺激强度的增加逐渐升高，但是FGR小鼠的PPI值与对照组相比存在显著的下降，这意味着FGR小鼠感觉门控功能存在显著缺陷（图1 l）。以上行为学结果表明，FGR会导致显著的精神分裂症相关的行为学缺陷。

图1. FGR导致精神分裂症行为。

（图源：Dong JF, et al., Cell Death Discovery, 2022）

PV中间神经元异常在精神分裂症疾病中发挥了重要的作用。有研究表明精神分裂症小鼠的海马和mPFC中PV中间神经元会存在显著的缺陷。因此，作者对FGR小鼠和对照小鼠的海马和mPFC PV+中间神经元进行了检测。qPCR结果表明，FGR小鼠mPFC中Pv和Gad1 mRNA水平显著下降，而Gad2没有显著变化（图2 a,b）。而FGR小鼠海马中Pv、Gad1和Gad2 mRNA水平和对照组相比没有显著差异。接着，作者还检测了另外两种主要的中间神经元靶标基因Sst和Cr，FGR和对照小鼠的海马和mPFC中Sst和Cr的mRNA水平是相当的（图2 a,b）。另外，Western Blot 结果表明FGR小鼠mPFC中PV和GAD1蛋白水平显著下降（图2 c,d），而海马中这两种蛋白的表达没有显著差异（图2 e,f）。研究表明，PV中间神经元存在显著的PV蛋白表达可塑性。根据PV免疫荧光强度，可以将PV中间神经元分为低PV、高PV、中度低PV和中度高PV四种PV中间神经元。在精神分裂症模型小鼠LgDel小鼠mPFC中，低PV表达中间神经元比例显著升高以及高PV表达中间神经元比例的显著减少。精神分裂症药物D2R拮抗剂治疗可以显著改善LgDel小鼠mPFC中低PV表达和高PV表达中间神经元比例的异常。实验中，作者按照文献中的标准，统计了荧光强度大于2.4×103a.u. 的高PV表达中间神经元密度。结果表明，FGR小鼠mPFC中高PV中间神经元密度显著下降（图2 g,h）。以上结果表明，FGR小鼠mPFC中PV+中间神经元存在显著的GABA能成熟缺陷。

图2. FGR导致mPFC PV中间神经元GABA能成熟缺陷。

（图源：Dong JF, et al., Cell Death Discovery, 2022）

精神分裂症会导致显著的皮层去抑制作用，这与mPFC中PV中间神经元功能缺陷是紧密相关的。因此，控制PV中间神经元功能的基因在精神分裂症发病过程中可能会发挥重要的作用。NRG1-ErbB4信号通路是调节PV中间神经元重要的信号通路，这个信号通路功能的异常也与精神分裂症紧密相关。另外，NRG1是一个重要的精神分裂症基因。实验中，作者检测了FGR小鼠和对照小鼠海马和mPFC中Nrg1及其受体ErbB4的mRNA水平，Nrg1在FGR小鼠mPFC中显著升高，而ErbB4表达没有显著差异（图3 a），Nrg1和ErbB4的mRNA水平在FGR和对照小鼠的海马中没有显著差异（图3 b）。Western blot 结果表明，FGR小鼠mPFC中NRG1蛋白的表达显著上升（图3 c,d），而海马中没有显著的变化（图3 e,f）。NRG1在FGR小鼠mPFC中的显著上调与现有去世的精神分裂症患者中的结果是一致的。

图3.FGR导致mPFC NRG1 表达上调。

（图源：Dong JF, et al., Cell Death Discovery, 2022）

基于上述发现，作者在实验室慢病毒载体的基础上构建了Lv-shNRG1。在小鼠的mPFC中进行病毒定位注射，一周后对小鼠mPFC进行NRG1表达量检测。QPCR结果表明，Nrg1 mRNA在病毒敲降后下降至对照的45%左右（图4 a）。另外，Western blot 结果也表明，Lv-shNRG1可以显著降低小鼠mPFC中NRG1的蛋白水平（图4 b,c）。这些实验证明了这种慢病毒可以显著降低小鼠mPFC区域的NRG1水平。病毒定位注射后一周，FGR小鼠mPFC中Pv和Gad1的 mRNA水平显著上升，达到了正常小鼠的水平（图4 d,e）。Western blot 检测结果也表明，mPFC中敲降NRG1可以显著提高FGR小鼠mPFC中PV和GAD1蛋白水平，到达正常小鼠的水平（图4 f,g）。最后，在小鼠mPFC病毒定位注射后一周，作者对小鼠mPFC区域进行PV免疫荧光染色。结果表明，敲降NRG1可以显著提高FGR小鼠mPFC中高PV表达中间神经元的密度（图4 h,i），达到正常组的水平。以上结果表明FGR小鼠mPFC内NRG1敲降显著提高PV中间神经元GABA能成熟。

图4. mPFC NRG1敲降可以显著改善FGR小鼠PV中间神经元GABA能成熟缺陷。

（图源：Dong JF, et al., Cell Death Discovery, 2022）

病毒定位注射后小鼠进行精神分裂症行为学检测。结果表明，mPFC中敲降NRG1可以显著降低FGR小鼠自发运动距离，到达正常小鼠的水平（图5 a）。小鼠mPFC中敲降NRG1，不会影响小鼠自发运动的平均速度（图5 b）。另外，在三箱社交行为学实验中，mPFC中敲降NRG1不会影响社交接近阶段小鼠对第一只陌生小鼠的探索时间，但可以显著提高社交新颖性阶段FGR小鼠和第二只陌生小鼠的交流探索时间，使其到达正常小鼠的水平（图5 c,d）。同时，mPFC中敲降NRG1可以显著提高FGR小鼠筑巢能力，使其到正常小鼠的水平（图5 e,f）。三箱社交行为学实验和筑巢实验表明，mPFC中敲降NRG1可以显著改善FGR小鼠社交能力缺陷。接着，Morris水迷宫实验结果表明，mPFC中敲降NRG1可以显著提高FGR小鼠空间学习能力和24h 短期记忆（图5 g,h）。最后，惊跳反射实验表明，mPFC敲降NRG1可以提高FGR小鼠PPI值，改善小鼠的感觉运动门控功能，达到正常小鼠的水平（图5 i）。以上结果表明，mPFC中敲降NRG1可以治疗FGR导致的精神分裂症症状。

综上，FGR会导致显著的包括自发运动增加、社交缺陷、认知下降和运动门控功能损伤在内的精神分裂症症状和PV中间神经元GABA能成熟缺陷，mPFC中敲降NRG1可以显著改善FGR引起的精神分裂症症状，提高PV+中间神经元GABA能成熟。

图5. mPFC NRG1敲降可以显著改善FGR小鼠精神分裂症症状。

（图源：Dong JF, et al., Cell Death Discovery, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

作者发现mPFC内敲降NRG1可以显著提高PV+中间神经元成熟，改善FGR导致的精神分裂症症状。机制研究表明，NRG1在FGR小鼠mPFC中显著下调，mPFC内敲降NRG1可以显著提高PV+中间神经元GABA能成熟，改善FGR导致的多种精神分裂症症状。这部分工作的不足之处，没有能够在小鼠PV中间神经元中进行NRG1表达的检测，以及没有能在小鼠PV中间神经元中进行NRG1的敲降。这部分的工作可以结合现有的AAV载药系统共同治疗具有FGR病史的精神分裂症患者，可以有效改善这部分患者阴性症状和认知水平，是对现有的精神分裂症药物的重要补充。

在未来的工作中，可以构建在PV中间神经元中特异表达的NRG1敲降病毒，在FGR小鼠mPFC内进行定位注射，检测mPFC中PV中间神经元内NRG1的特异敲除是否也可以回复FGR小鼠精神分裂症的症状。现有的工作中，注射的慢病毒会对包括兴奋性神经元和抑制性神经元在内的多种神经细胞都起到NRG1的敲降作用，通过PV中间神经元特异的NRG1敲降病毒实验，可以排除兴奋性神经元和包括胶质细胞在内的其他神经细胞对实验结果的干扰。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41420-022-01271-3

同济大学生命科学与技术学院康九红教授为该论文通讯作者。同济大学生命科学与技术学院东健沣博士为本文第一作者。本研究受到国家重点研发项目和国家自然科学基金支持。

康九红教授课题组合影

（照片提供自：同济大学生命科学与技术学院康九红实验室）

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通讯作者简介（上下滑动阅读）

康九红教授，1998年获兰州大学细胞生物学专业理学博士学位，先后在日本大阪大学医学院谷口教授和中国科学院生化细胞所裴钢院士实验室，从事博士后研究。2009年起任同济大学生命科学与技术学院特聘教授。2006年获得国家杰出青年基金资助。2009年和2010年分别获得上海市自然科学一等奖和教育部自然科学一等奖。2009年和2011年分别获得上海市科技领军人才和优秀学科带头人称号。2011年作为负责人获得教育部创新团队发展计划资助；同年，当选海市首届十大校园“科研新星”和上海市杨浦区第十五届人大代表。2012年当选同济大学医学与生命科学学部“我心目中的好导师”。2013年当选科技部中青年科技创新领军人才，并获国务院政府特殊津贴。2014年获国家高层次人才特殊支持计划领军人才（万人计划），同济大学师德师风优秀教师和育才教育二等奖。2011年、2016年和2021年作为“首席科学家”获得科技部重大研究计划项目，2016年获上海市育才奖，2017年获同济大学“立德树人”优秀教师，2019年获批国家干细胞转化资源库，2020年获宝钢优秀教师奖。兼任中国细胞生物学会医学细胞生物学会理事，中国解剖学会医学发育生物学分会副理事长，中国医药生物技术协会神经修复和再生分会副主任委员。在Cell、Nature、Cell Stem Cell等国际著名学术期刊发表论文百余篇，SCI他引5000余次。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Saha S, Chant D, Welham J, McGrath J. A systematic review of the prevalence of schizophrenia. PLoS Med. 2005;2:e141.[2] Murray CJ, Lopez AD. Evidence-based health policy-lessons from the Global Burden of Disease Study. Science. 1996;274:740–3.[3] Brown AS, Derkits EJ. Prenatal infection and schizophrenia: a review of epidemiologic and translational studies. Am J Psychiatry. 2010;167:261–80.[4] Cannon M, Jones PB, Murray RM. Obstetric complications and schizophrenia: historical and meta-analytic review. Am J Psychiatry. 2002;159:1080–92.[5] Byrne M, Agerbo E, Bennedsen B, Eaton WW, Mortensen PB. Obstetric conditions and risk of first admission with schizophrenia: a Danish national register based study. Schizophrenia Res. 2007;97:51–9.

本文完