多種品系基因敲除小鼠模型在自閉癥研究中的應(yīng)用

自閉癥患者因缺乏與他人的溝通和適切的語(yǔ)言交流能力，難以體會(huì)他人的情緒和表達(dá)自己的感覺(jué)，而時(shí)常出現(xiàn)一些重復(fù)刻板行為，像是活在自己的世界里，被形象地稱為“來(lái)自星星的孩子”。每年自閉癥的新生患病人數(shù)都在逐漸攀升，但令人遺憾的是，目前自閉癥治療治療方法很有限，龐大的患病數(shù)量以及無(wú)法醫(yī)治的現(xiàn)狀，讓自閉癥成為了科學(xué)研究中最被關(guān)注的兒童發(fā)育性疾病。通向“星星”的道路仍舊需要我們一步一步地探索著向前進(jìn)發(fā)。

今天要和大家見(jiàn)面的是自閉癥基因編輯小鼠模型。

01 ASD簡(jiǎn)介
自閉癥譜系障礙（Autistic Spectrum Disorders，ASD），也稱孤獨(dú)癥譜系障礙，是一種由大腦發(fā)育差異引起的廣泛性發(fā)展障礙，其病征包括異常的語(yǔ)言能力和交往能力、狹窄的興趣以及固執(zhí)的行為模式^[1]。2013年美國(guó)發(fā)布的精神疾病診斷統(tǒng)計(jì)手冊(cè)第5版（DSMV）對(duì)自閉癥及其相關(guān)障礙診斷標(biāo)準(zhǔn)做出修訂，取消了原有的自閉癥（Autism）說(shuō)法并歸類至自閉癥譜系障礙（ASD），ASD包括了之前的經(jīng)典自閉癥、阿斯伯格綜合征和兒童瓦解性精神障礙等^[2]。通常情況下，人們所說(shuō)的自閉癥指ASD即廣泛意義上的自閉癥。

02 ASD致病機(jī)制
ASD的具體致病機(jī)制未明，主流的觀點(diǎn)認(rèn)為主要與遺傳和環(huán)境有關(guān)，數(shù)據(jù)顯示ASD是高度可遺傳的疾病，其同卵雙胞胎的符合率高達(dá)90%。2016年發(fā)表的一項(xiàng)薈萃分析報(bào)告顯示74-93%的自閉癥風(fēng)險(xiǎn)是可遺傳的，同一家族的兄弟姐妹研究表明，在年齡較大的孩子被診斷為ASD后，隨后出生的孩子有7-20%的概率會(huì)發(fā)生ASD^[3]。目前有1000多個(gè)基因被發(fā)現(xiàn)可能與ASD遺傳風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，其中大多數(shù)基因都和大腦不同功能區(qū)域之間的正常神經(jīng)發(fā)育和連接密切相關(guān)，這表明了導(dǎo)致ASD風(fēng)險(xiǎn)的共同途徑^[4]。與ASD相關(guān)的遺傳異常可分為三類：

1.單基因突變，如在SHANK3、FMR1或MECP2中發(fā)現(xiàn)的突變；

2.拷貝數(shù)變異（CNVs），包括染色體的重復(fù)、大片段缺失、倒置和易位；

3.多種變異積累而導(dǎo)致的多基因風(fēng)險(xiǎn)因素。但ASD主要是由是何種基因和何種類型突變導(dǎo)致的仍在進(jìn)一步的研究。

03 ASD疾病表型
ASD目前的全球發(fā)病率約為0.6%-1%，在美國(guó)每68名兒童中就有1人受到ASD的影響，其中男孩的發(fā)病頻率是女孩的4.5倍。ASD一般發(fā)病于3歲前并可持續(xù)一生，當(dāng)患有ASD的兒童成長(zhǎng)為青少年和成年人時(shí)，他們極難發(fā)展和維持友誼或與他人交流，同時(shí)還伴有焦慮、抑郁、注意力缺陷和多動(dòng)障礙等癥狀^[5]。目前ASD治療以對(duì)癥治療為主，主要針對(duì)干擾日常功能和生活質(zhì)量的癥狀，由于ASD對(duì)每個(gè)人的影響不同，每個(gè)患者都由不同的治療需求，治療方案通常涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。由于致病機(jī)制尚不清楚，目前無(wú)法針對(duì)ASD的病因進(jìn)行治療，急需更多關(guān)于ASD致病機(jī)制的研究。

04 ASD疾病模型
來(lái)自ASD患者數(shù)據(jù)顯示神經(jīng)木質(zhì)素（NLGN3/4）、神經(jīng)細(xì)胞表面蛋白（NRXN1和CNTNAP2）、SH3和多個(gè)錨蛋白重復(fù)結(jié)構(gòu)域蛋白3（SHANK3）、甲基CpG結(jié)合蛋白2（MECP2）、脆性X智力低下基因1（FMR1）、結(jié)節(jié)性硬化癥基因（TSC1/2）以及新發(fā)現(xiàn)的CHD8、SCN2A、SYNGAP1、TBX1、ARID1B、GRIN2B和TBR1等單基因突變皆與患ASD風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)^[5]，但并不是每一個(gè)基因的突變都會(huì)導(dǎo)致ASD的產(chǎn)生，基因突變的致病性需要充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。在過(guò)去數(shù)十年的研究中，科研人員構(gòu)建了多個(gè)由ASD相關(guān)基因缺失誘導(dǎo)的自閉癥或類自閉癥小鼠，為ASD疾病機(jī)制研究、藥物靶標(biāo)發(fā)現(xiàn)和新型治療方法開(kāi)發(fā)提供了更多的動(dòng)物模型，以下是幾個(gè)主要的基因編輯自閉癥小鼠模型。

TBX1（E1-E2敲除，B6J品系）
人體染色體22q11.2的大片段缺失會(huì)導(dǎo)致類似ASD表型，但這些缺失的片段中包含了至少30個(gè)基因，導(dǎo)致ASD表型出現(xiàn)的基因無(wú)法明確。Takeshi Hiramoto等人在2011年的研究表明，在22q11.2大片段缺失序列包含的30多個(gè)基因中，Tbx1呈現(xiàn)高度的ASD相關(guān)性，Tbx1單基因缺失的雜合小鼠（HT）表現(xiàn)為在社會(huì)交往、基于記憶的行為改變、工作記憶和趨向性方面存在缺陷的類ASD表型^[6]。
 

圖1 TBX1雜合子小鼠（HT）表現(xiàn)出ASD相關(guān)行為學(xué)表型，左側(cè)：發(fā)聲頻率和持續(xù)時(shí)間，右側(cè)：T形迷宮自發(fā)交替^[6]

SHANK3B（E13-E16敲除，C57品系）
SHANK家族基因的突變與綜合征性和特發(fā)性自閉癥譜系障礙（ASD）以及其他神經(jīng)精神和神經(jīng)發(fā)育障礙（精神分裂癥和智力殘疾）有關(guān)。SHANK3是一種突觸后蛋白，其在遺傳水平上的缺失是導(dǎo)致22q13缺失綜合征和其他非綜合征性ASD發(fā)生的原因。Joa˜o Peça在發(fā)表于Nature雜志的研究論文中描述了Shank3基因缺失小鼠出現(xiàn)紋狀體突觸和皮質(zhì)-紋狀體回路的缺陷，并伴隨重復(fù)性的自殘和社會(huì)交流的缺陷。該研究揭示了SHANK3在神經(jīng)元連接的正常發(fā)育中所起的關(guān)鍵作用，成功在小鼠體內(nèi)建立起SHANK3缺失與自閉癥樣行為的聯(lián)系^[7]。
 

圖2 Shank3B^-/-小鼠的社交互動(dòng)減少，社交新穎性識(shí)別異常^[7]

Cntnap2（E1敲除，B6品系）
Cntnap2編碼Neurexin超級(jí)家族的一個(gè)神經(jīng)元跨膜蛋白成員，參與神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用以及有髓軸突中鈣離子通道的聚集。CNTNAP2突變最初被證明與皮質(zhì)發(fā)育不良-局灶性癲癇綜合征（CDFE）相關(guān)，這是一種罕見(jiàn)的疾病，會(huì)導(dǎo)致癲癇發(fā)作、語(yǔ)言倒退、智力殘疾和多動(dòng)，同時(shí)在近三分之二的患者中也存在類自閉癥的表型，后續(xù)越來(lái)越多的研究證明了該基因與自閉癥或自閉癥相關(guān)內(nèi)表型風(fēng)險(xiǎn)增加的聯(lián)系。Daniel H.Geschwind等人在發(fā)表于Cell雜志的研究論文中證明了小鼠Cntnap2基因的敲除與ASD及相關(guān)的神經(jīng)發(fā)育障礙密切相關(guān)。Cntnap2^-/-小鼠表現(xiàn)出ASD三個(gè)核心行為領(lǐng)域的缺陷，并伴隨多動(dòng)和癲癇發(fā)作表型，這些表型與攜帶CNTNAP2致病突變的患者的癥狀高度一致^[8]，該模型是較為完全呈現(xiàn)人類ASD疾病表型的模型之一。
 

圖3 Cntnap2^-/-小鼠表現(xiàn)出溝通和社會(huì)行為異常的ASD表型

05 賽業(yè)生物自閉癥研究小鼠模型
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