专家点评 Mol Psychiatry︱冯杜团队发现ATP9A是注意缺陷和多动障碍和智力障碍的全新致病基因

撰文︱冯杜，孟甜

点评︱史岸冰（华中科技大学），贾大（四川大学）

责编︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

注意缺陷和多动障碍（ADHD）和智力障碍（ID）是儿童和青少年常见的神经发育障碍。ID以智商（IQ）低于70为主要特征，伴有智力障碍和适应性行为障碍，而ADHD是以注意力不集中和/或多动、冲动为特征的功能障碍[1-3]。部分ADHD患者同时表现为ID，由于病因复杂，致病机制不明确，缺乏有效的治疗药物，这类患者的诊断和治疗更具挑战性[4]。ID和ADHD的病因与遗传因素高度相关，遗传率估计约为67%（ID）和76% (ADHD） [5, 6]。而常染色体隐性遗传的ID和ADHD由于缺乏明显的遗传倾向，与这些疾病相关的致病基因少有研究。因此，发现新的致病基因并探索其致病机制可为临床诊断和治疗提供重要依据。

近日，广州医科大学基础医学院、广东省蛋白质修饰与降解重点实验室冯杜教授课题组在Molecular Psychiatry杂志上发表了题为“ATP9A Deficiency Causes ADHD and Aberrant Endosomal Recycling via Modulating RAB5 and RAB11 Activity”的研究文章。研究团队首次在人和小鼠中发现磷脂翻转酶ATP9A缺乏与肌张力低下、ID和ADHD之间的关系，并确立了ATP9A在RAB5和RAB11活性依赖的内吞循环途径和神经系统疾病中的调控新机制。基础医学院孟甜老师和硕士研究生陈晓婷为本文的共同第一作者。首都医科大学附属北京妇产医院产前诊断中心闫有圣博士和沙特阿拉伯国际医学研究中心（KAIMRC）医学基因组学研究部Muhammad Umair教授为本文的共同通讯作者，冯杜教授为最后通讯作者。

ATP9A是II类P4-ATPases的磷脂翻转酶，主要参与细胞囊泡运输。ATP9A的纯合突变与人类神经发育疾病有关，然而人们对其生理功能和病理生理机制知之甚少。课题组在临床研究（图1）中发现来自两个家系的三名携带ATP9A无义突变c.433C>T/c.658C>T/c.983G>A （p. Arg145*/p. Arg220*/p. Trp328*）的患者均患有肌张力减退、智力障碍（ID）和注意力缺陷多动障碍（ADHD）。

图1 谱系、基因检测和ATP9A突变鉴定

（图源：Meng T,et al., Mol Psychiatry, 2023）

研究者成功构建了ATP9A基因敲除小鼠，通过Morris水迷宫、Y迷宫、旷场实验、衣架实验和悬挂实验，发现小鼠也表现出学习记忆障碍和多动性运动障碍，与患者的临床表型高度相符（图2）。此外，利用高尔基染色和膜片钳电生理检测发现，在ATP9A缺失小鼠的初级运动皮层和海马区神经元突起形态和突触传递功能严重受损（图3 A-J）。体外提取大鼠原代皮质神经元进行ATP9A基因沉默，神经突起出现断裂、收缩及串珠样改变的同时细胞活力显著降低，表明ATP9A是维持神经轴突形态和体外神经细胞活力所必需的（图3 K, L）。

图2 Atp9a缺失小鼠表现出肌无力、记忆障碍和多动性运动障碍

（图源：Meng T,et al., Mol Psychiatry, 2023）

图3 ATP9A是维持神经元神经突形态、突触传递所必需的

（图源：Meng T,et al., Mol Psychiatry, 2023）

为了进一步研究其致病机制，研究者对其在神经细胞内定位和功能进行了检测，发现ATP9A主要定位于神经细胞内吞体上，并通过调节小GTPase RAB5和RAB11的激活在内吞体循环途径中发挥关键作用。而ATP9A致病突变体具有异常的亚细胞定位，并引起内吞体循环异常。

图4 ATP9A导致神经障碍的分子机制图

（图源：Meng T,et al., Mol Psychiatry, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，这些数据揭示了ATP9A在激活RAB5和RAB11以促进N2a细胞和小鼠大脑内吞体循环途径中的未知作用。ATP9A缺失或突变导致RAB5和RAB11失活介导的神经细胞内吞体循环异常，从而引起大脑初级运动皮层和海马的突触功能障碍，导致以肌张力低下、ID和ADHD为主要表型的神经障碍（图4）。

研究团队首次在ATP9A敲除小鼠模型中成功地模拟了人类肌张力低下、ID和ADHD的疾病表型，并发现ATP9A缺乏会导致初级运动皮层和海马区的突触功能障碍。进一步研究表明，潜在的致病机制与RAB5和RAB11的失活导致的神经细胞内吞体循环运输异常有关。这些发现为ATP9A缺乏导致人类和小鼠神经发育障碍和突触功能障碍提供了强有力的证据，并建立了ATP9A在RAB5和RAB11活性依赖的内吞体循环通路和神经疾病中新的调节作用。鉴于ATP9A突变体已在几种不同表型的神经系统疾病中被发现，本研究将为评估增强RAB5和RAB11活性作为治疗ATP9A缺陷引起的神经系统疾病的治疗策略提供重要信息。
专  家  点  评

史岸冰，教授，华中科技大学

近期，广州医科大学基础医学院冯杜课题组针对注意缺陷和多动障碍（ADHD）、智力障碍（ID）的基因分析发现，患儿含有ATP9A基因突变。研究团队在小鼠中敲除ATP9A基因后，发现可引发类似的神经系统症状。进一步的检测发现，ATP9A缺失导致神经突触障碍、神经细胞的形态异常以及存活率降低。ATP9A是一种磷脂翻转酶flippase，单向介导膜脂质从细胞外小叶转运到胞质小叶。为了解析ATP9A在ADHD疾病中的具体功能机制，冯杜团队首先检测了ATP9A的亚细胞定位，发现ATP9A主要定位于内吞体，其中包括早期内吞体、循环内吞体及晚期内吞体，且ATP9A能够影响RAB5和RAB11的活性，从而调控循环运输，并最终影响神经细胞的功能。细胞膜表面受体等组分在内吞（endocytosis）进入胞内后，一部分会经内吞循环（endocytic recycling）运输返回细胞质膜继续发挥功能。内吞循环运输对多种生物学功能至关重要，其中包括神经细胞的信号传导、突触可塑性等，其障碍会诱发包括神经退行、肿瘤、代谢紊乱等多种类型的人类疾病。Ras超家族成员Rabs是内吞循环运输的重要调控蛋白，作为分子开关，Rabs通过结合GDP或GTP，在失活态或活性态之间切换。冯杜团队在本研究中的核心发现是ATP9A可调控循环运输相关的RAB5及RAB11的活性状态，影响内吞循环运输。这一研究工作初步揭示了ATP9A突变在ADHD和ID发病过程中的功能机制，展示了内吞循环运输在其中的重要作用，对相关疾病的发病机制及临床治疗具有重要的参考价值。在后续工作中，有两个方面的科学问题需要关注，首先是ATP9A/flippase调控Rab活性的分子过程需更为深入的阐明，其次是ATP9A/flippase的Rab调控特异性需要鉴定。这些科学问题的明确解答对于理解ATP9A/flippase在ADHD和ID发生发展中的功能角色至关重要。

贾大，教授，四川大学

ADHD（又称注意力缺陷多动障碍）和ID（智力障碍），是常见的儿童精神疾病，近年来随着遗传学技术的发展和研究水平的提高，发现了一些与这两种疾病相关的基因，例如ATP9A，但这些基因在ADHD和ID中的作用机制还不清楚。近年来，冯杜教授课题组致力于研究细胞器膜蛋白ATP9A基因突变导致人遗传性智力障碍的作用机制研究，孟甜等人的这项研究报道了3例新的ATP9A无义突变导致的人类神经系统疾病。ATP9A基因突变的疾病以肌张力低下、ID、ADHD、言语缺失、严重的接受性语言发育迟缓、缺乏社交和严重的睡眠障碍为特征。该研究结合临床上ATP9A无义突变的病例特征，通过构建ATP9A缺失的小鼠进行研究，发现了ATP9A功能异常的小鼠在行为上与病人表现出类似的表型。ATP9A主要定位于神经细胞内吞体上，并通过调节小GTPase RAB5和RAB11的激活在内吞体循环途径中发挥关键作用，但具体机制尚不清楚。孟甜等人的这项研究新发现了ATP9A在RAB5和RAB11活性依赖的内吞循环途径中的具体作用，即ATP9A可以结合Rab5和Rab11的GTP形式。这项重要的发现可以帮助人们更好地理解ATP9A突变在神经发系统疾病中的潜在机制，或可为开发ATP9A缺乏引起的神经系统疾病在内吞循环途径方面的治疗策略提供重要理论依据。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41380-022-01940-w第一作者：孟甜（左）；并列第一作者：陈晓婷（中）；通讯作者：冯杜（右）

（照片提供自：冯杜课题组）

通讯作者冯杜简介（上下滑动阅读） 

广州医科大学基础医学院副院长，病理生理学教授，博士生导师，广东省“珠江学者”特聘教授，广州市高层次人才“优秀专家”。
冯杜教授博士毕业于清华大学，哈佛大学博士后研究员。课题组长期从事病理生理胁迫条件下的细胞器应激调控与人类疾病发生发展的关系等研究工作。现任中国病理生理学会蛋白质修饰与疾病专委会委员、青年委员会组长，中国生物物理学会线粒体分会理事，担任The EMBO J、Nat Comm、Sci Adv、Autophagy等30多个期刊的审稿人。近年来共主持和完成国家自然科学基金5项，省级多项目多项。发表SCI论文50余篇，被引5000余次。代表作品包括Nat Cell Bio、EMBO J、Mol Psychiatry、JBC、Autophagy、EMBO Reports等国际知名杂志。

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 学习资料

参考文献（上下滑动查看）  

[1] Mehregan H, Najmabadi H, Kahrizi K. Genetic studies in intellectual disability and behavioral impairment. Arch Iran Med. 2016;19:363–75.

[2] Stevenson RE, Procopio-Allen AM, Schroer RJ, Collins JS. Genetic syndromes among individuals with mental retardation. Am J Med Genet A. 2003;123A:29–32.[3] Klein M, Onnink M, van Donkelaar M, Wolfers T, Harich B, Shi Y, et al. Brain imaging genetics in ADHD and beyond–mapping pathways from gene to disorder at different levels of complexity. Neurosci Biobehav Rev. 2017;80:115–55.[4] Association AP. Diagnostic and statistical manual of mental disorders: DSM-5. Washington, DC: American Psychiatric Association; 2013.[5] van Bokhoven H. Genetic and epigenetic networks in intellectual disabilities. Annu Rev Genet. 2011;45:81–104.[6] Franke B, Neale BM, Faraone SV. Genome-wide association studies in ADHD. Hum Genet. 2009;126:13–50.

本文完