UBE3A基因及天使綜合征簡介與相關小鼠模型的應用

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UBE3A基因簡介
UBE3A基因，英文全稱為Ubiquitin Protein Ligase E3A，中文名稱為泛素蛋白連接酶E3A，該基因編碼的UBE3A蛋白是泛素蛋白降解系統(tǒng)的一員。該印跡基因在大腦中以母源染色體表達為主，而在其他組織中則呈現(xiàn)為父源、母源等位表達。UBE3A基因位于人類的第15號染色體15q11-13上，基因全長為10.8kb，共有21個外顯子，氨基酸數(shù)量為852個。該基因的母系遺傳缺失所導致的泛素化異常與天使綜合征（Angleman syndrome）密切相關。
 

表1. UBE3A的基本信息

備注：標有√的意為賽業(yè)紅鼠資源庫有該種保存狀態(tài)的小鼠

天使綜合征
天使綜合征（Angleman syndrome，AS）由法國醫(yī)生Angelman發(fā)現(xiàn)，因此又名為Angelman綜合癥，發(fā)病率大約為1/12,000-24,000，疾病特征是嚴重的發(fā)育遲緩或智力缺陷、嚴重的語言障礙、共濟失調(diào)和/或四肢顫抖，以及頻繁的笑、異常睡眠模式和多動癥。小頭畸形和癲癇發(fā)作也很常見。發(fā)育遲緩首先在大約六個月大時注意到。但是，天使綜合征的獨特臨床特征要等到一年后才顯現(xiàn)出來，并且可能需要數(shù)年時間才能對正確的臨床診斷產(chǎn)生明顯影響，目前還沒有有效的治療方法。
 

圖1. 天使綜合征AS患者的特征^[1]

AS是由于母源15號染色體上的UBE3A基因缺失或表達異常，而父源 UBE3A 基因受長非編碼 RNA（UBE3A-ATS）影響而在神經(jīng)元中特異性沉默，由此導致AS患者黑質(zhì)、紋狀體、海馬及小腦浦肯野細胞蛋白泛素化異常。目前已明確導致天使綜合征的分子遺傳機制有4種：①母源15q11-13缺失；②父源15號染色體存在單親二體（Uniparental disomy，UPD）；③母源15q11.2-q13印記缺陷（imprinting defect，ID）和④母源UBE3A基因發(fā)生致病突變。四種分子機制都導致了母源UBE3A基因的功能喪失，其中母源15q11-13缺失最常見，多數(shù)約長5-7 Mb[2]。
 

表2. 天使綜合征相關信息

天使綜合征相關小鼠模型
一項研究表明，以C57BL/6小鼠構建Tamoxifen（他莫西芬）誘導的Ube3a基因敲除模型，Ube3a基因在被誘導敲除后，小鼠在旋轉(zhuǎn)棒性能實驗（rotarod performance）、大理石掩埋實驗（marble-burying）、開放區(qū)域探索實驗（open field exploration）、筑巢實驗以及聲音所引起的癲癇發(fā)作閾值測試（audiogenic seizure threshold）中，與對照組小鼠相比都具有顯著性的差異。而在Ube3a敲除小鼠的早期胚胎中重新導入Ube3a基因則能夠避免天使綜合征的表型的出現(xiàn)[3]。另一項研究表明，母本Ube3a缺失的小鼠（Ube3am-/p+）在Morris水迷宮中具有明顯的習得性和逆轉(zhuǎn)性學習缺陷。研究結(jié)果還表明，Ube3am-/p+小鼠在旋轉(zhuǎn)任務實驗中表現(xiàn)出運動障礙、活動減退、減少進食和大理石掩埋，以及缺乏恐懼性條件反射等一系列的現(xiàn)象[4]。
 

圖2.敲除Ube3a基因后小鼠行為學的改變[3]

天使綜合征的治療
研究表明，由于在神經(jīng)系統(tǒng)中父本來源的UBE3A基因被一段非編碼RNA(UBE3A-ATS)所沉默，只依賴于母本來源的UBE3A的表達，因此，若母本來源的UBE3A發(fā)生缺失或突變的話，就會導致天使綜合征。因此，已有研究人員推測使用基因治療的方式，恢復UBE3A的表達，可以顯著改善疾病的臨床預后。然而，他們發(fā)現(xiàn)如果在天使綜合征模型小鼠成年之后才恢復UBE3A的功能，并不能完全恢復模型小鼠的神經(jīng)系統(tǒng)缺陷和行為學異常。只有在胚胎發(fā)育早期進行干預才能顯著改善模型小鼠的神經(jīng)發(fā)育障礙。這表明，人類患者在年齡越小的時候接受基因治療其癥狀改善的程度將會越佳^[3]。

而另一種治療方法則是通過靶向非編碼RNA UBE3A-ATS來恢復父本來源的UBE3A的表達。研究人員通過將天使綜合征模型小鼠的大腦注射AAV腺相關病毒的方式，利用CRSPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)對小鼠神經(jīng)細胞的UBE3A-ATS進行敲除，從而使得父本來源的UBE3A的表達得以恢復，行為學實驗表明模型小鼠的癥狀得到了顯著的改善[5]。

圖3. AAV介導的CRSPR/Cas9對UBE3A-ATS的敲除恢復了UBE3A的表達[5]

小結(jié)
UBE3A作為天使綜合征和自閉癥等遺傳性疾病密切相關的基因。在疾病的診斷方面，可以在懷孕期間對胎兒的基因組進行測序，從而判斷UBE3A的缺失以及突變等情況。目前尚無藥物可以針對該病進行治療，然而，部分研究則表明利用腺相關病毒恢復UBE3A表達等基因治療的方式展現(xiàn)出巨大的潛力。并且，在幼兒的早期進行治療，能夠更加顯著地改善其癥狀。

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參考文獻：

[1]A. Dagli, et al. Molecular and Clinical Aspects of Angelman Syndrome. Mol Syndromol. 2012 Apr; 2(3-5): 100–112.

[2]Charles A Williams, et al. Angelman syndrome 2005: updated consensus for diagnostic criteria. Am J Med Genet A. 2006 Mar 1;140(5):413-8

[3]Sara Silva-Santos, et al. Ube3a reinstatement identifies distinct developmental windows in a murine Angelman syndrome model. J Clin Invest. 2015 May 1; 125(5): 2069–2076.

[4]Hsien-Sung Huang, et al. Behavioral deficits in an Angelman syndrome model: Effects of genetic background and age. Behav Brain Res. 2013 Apr 15; 243: 79–90.

[5]Ralf S. Schmid, et al. CRISPR/Cas9 directed to the Ube3a antisense transcript improves Angelman syndrome phenotype in mice. J Clin Invest. 2021 Mar 1; 131(5): e142574.