神经学和发育神经科学助理教师霍尔德说,他们体内的SHANK3蛋白说明量相较符合规律人也会冒出减半的风貌

对于许多蛋白质具有多个停靠位点,Shank3参与许多细胞途径,据报道,当Shank3在动物模型中丢失时,这些途径被破坏。但是,个体对接位点和细胞通路是否独立地介导了疾病的不同症状?

Shank3蛋白上有多个蛋白结合位点,参与了许多十分重要的信号通路,在SHANK3缺失的动物模型中这些信号通路确实也表现出了不同程度的紊乱。

回答这个问题会对治疗的发展产生影响,佐格比说。如果Shank3上的每个模块或停靠站点独立地调节一部分症状,那么纠正一个细胞途径很可能不足以纠正所有症状。

带着这个问题,研究者们构建了一个带有SHANK3基因特殊突变的小鼠SHNAK3-S685I,其模拟的是在一位自闭症病人身上发现的SHANK3基因突变类型。

之前的研究结果鼓励研究人员进一步研究,以更好地了解如何完全正常化Shank3丰度。

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Holder,Zoghbi和他们的同事着手确定一项增加Shank3蛋白量的策略,由于缺乏Phelan-McDermid综合征中第二个基因拷贝而减少了一半。他们开辟了新的领域,研究了调节Shank3稳定性的细胞机制,重点关注人类激酶组,即基因组中编码的一整套蛋白激酶。

人体大脑的精妙程度超乎人的想象,但总有规律可循。在脑科学领域,许多不同的课题往往都可以总结为一个或几个大的问题,对于许多精神病学的问题都可以总结为一个大问题,那就是到底病人脑细胞神经元之间的连接与正常人相比产生了哪些变化。影响这一问题的因素有许多,其中十分重要的一点就是相邻两个神经元之间功能性蛋白的表达量是否还正常。

通过操纵ERK2,我们能够部分恢复Shank3的丰度,Zoghbi说。我们认为有必要确定Shank3稳定性的其他调节因子,以实现完全恢复。这可能会导致潜在的治疗方式,即监管机构的混合物将促使SHANK3升至正常水平。

带有SHANK3-S685I的小鼠与Shank3蛋白完全缺失小鼠的不同,其表现出增加的社交优势以及频繁的社交性理毛,却并没有出现运动障碍,兴奋性增加或是异常的自我理毛现象,这也就意味着这些没有出现的表型可能是由其他与SHANK3结合的蛋白,及蛋白影响的信号通路所决定的。

也许这就是为什么许多精神疾病难以解决的原因。也许它们不是由一个完整基因完全丧失引起的,而是由个体基因的微小变化引起的,佐格比说。在人类SHANK3变体S6851的情况下,错义突变导致的一个氨基酸变化会影响突触10%到20%,但这足以破坏神经元的通讯。

ERK2磷酸化Shank3并激活泛素化降解过程

将一半蛋白质用作许多其他蛋白质的平台将影响突触的作用。结果是个体出现不同程度的智力残疾,言语延迟或缺席,孤独症谱系障碍的症状,低肌肉张力和运动迟缓和癫痫,霍尔德说,他也是Jan和Dan
Duncan神经学研究所的成员。

Holder教授称,“或许这就是为什么许多精神类疾病难以治疗的原因,它们并不是由整个基因缺失引起的,而是由单个基因上一个或者几个碱基突变导致的,例如在SHNAK3突变体S685I中,一个碱基的缺失导致了一个氨基酸的突变却影响了脑内10-20%的神经元突触,这已经足以扰乱神经元之间的信息传递。”

对Shank3稳定性调节剂进行遗传筛选的方法也可用于鉴定其他条件下其他剂量敏感基因的调节因子,并可能有助于新的治疗策略。

SHANK3就是这样一个影响突触间相互连接的功能性蛋白,Huda Zoghbi博士和Jimmy
L. Holder Jr.
博士和他们的同事在仔细研究了SHANK3之后,提出关于SHANK3的新见解。

SHANK3蛋白位于突触处。将其视为一个平台,许多其他蛋白质可以停靠,相互作用并影响神经元中的突触,Zoghbi说,他是贝勒的分子和人类遗传学以及儿科和神经科学教授和导演德克萨斯儿童医院的Jan和Dan
Duncan神经学研究所。

在Shank3蛋白缺少的临床病人身上时,则会依据每个人的不同情况出现不同程度的智力障碍,语言能力缺失或发育迟缓,孤独症谱系障碍,肌张力减退,运动能力减退,以及癫痫等症状。

他们还发现遗传性地删除ERK2基因或用药物抑制其激酶活性增加了小鼠模型中的Shank3丰度。

“我们将重点放在寻找那些能够给蛋白质加上磷酸基团修饰的激酶上,因为之前的研究表明体内的Shank3蛋白多个位点都能被磷酸化,磷酸化修饰作为体内翻译后修饰手段中十分常见的一种,其能够调节蛋白的稳定性。而我们对于磷酸化修饰过程又了解地较为透彻,比较清楚地知道一般磷酸化过程是被哪些分子调控的。“Holder教授称。

为了回答模块化问题,研究人员开发了一种携带Shank3 –
S685I变体的小鼠模型,模拟了患有自闭症的个体中的一种变体。个体具有两个SHANK3拷贝,但是在其中一个中,残基S685的多个对接位点之一由于单个氨基酸改变而发生故障并且不能与相应的对接蛋白相互作用。

同时他们也在小鼠模型中进行了验证,在基因层面上删除ERK2基因,或使用药物抑制ERK2激酶活性都能够增加小鼠体内Shank3的蛋白含量。

这一发现促使我们提出了一种恢复Shank3活动的新策略,霍尔德说。我们假设,不是恢复Shank3下游的个体细胞通路,在缺少一个基因拷贝的小鼠中恢复正常量的Shank3蛋白可能会恢复蛋白质的全部活性并减少或消除一些症状。

好消息:激酶能够调节SHANK3蛋白稳定性

  • 两个脑细胞之间的交流点。SHANK3是这些蛋白质之一。在他们的实验室中,Huda
    Zoghbi博士,Jimmy L. Holder
    Jr.博士及其同事一直在广泛研究SHANK3,他们和其他实验室已经发现了这种蛋白质的优点,缺点和希望。

不过由此也就出现了一个问题,SHANK3上不同蛋白结合位点的突变是否会导致不同表型呢?每一个突变位点与表型之间的关系是否是相互独立的呢?换句话说,是不是SHANK3基因上不同区域的突变会导致不同的临床表现呢?

好处:激酶调节SHANK3的稳定性

这一结果充分鼓舞了研究者们,他们认为未来将会有方法能够使得病人体内的Shank3蛋白表达量提高至正常水平。

总之,这些研究表明,研究小遗传变化的后果,例如突变体S6851的单个氨基酸变化,以获得可能导致新疗法的新视角,Holder说。

接着,他们发现该信号通路中的ERK2蛋白能够与Shank3蛋白中的三个氨基酸残基结合,使Shank3蛋白磷酸化并激活多聚泛素化降解过程,使得Shank3蛋白降解。这是目前已知的第一个能够磷酸化Shank3蛋白并使其降解的分子。

正如预期的那样,Shank3的丢失会破坏小鼠模型中的突触传递。这种突触破坏导致异常行为,包括改变的社交互动,运动协调缺陷和重复行为。

不过不同于以往在致病基因上进行操作的策略,他们将目光投向了细胞内调节Shank3蛋白稳定性的机制中,并特别关注于人体内的各种蛋白激酶。

研究人员确定了许多可能调节Shank3稳定性的激酶,包括一些使其不稳定的激酶,例如ERK2。ERK2是第一种直接向Shank3添加磷酸基团以促进其降解的激酶。

在科学家们建立的SHANK3基因敲除的小鼠模型中,小鼠脑部神经元细胞的突触间信息传递过程也出现了与病人类似的问题,同时也导致小鼠出现了一系列运动障碍,其中包括社交反应改变,运动协调能力缺陷以及重复刻板行为等,这与病人的临床表现相吻合。比如,2011年,来自美国杜克大学、葡萄牙科英布拉大学、麻省理工学院及博德研究所等多家机构的研究人员证实突触后蛋白SHANK3在正常的神经连接发育中起关键性的作用,Shank3基因突变可导致小鼠出现自闭症样行为及纹状体异常。相关研究论文发表在《自然》杂志上。领导这一研究的是著名华人学者、当时还在杜克大学神经生物学系教授冯国平,现在就职于麻省理工学院。该文章中,研究人员发现Shank3
被删除的小鼠表现出几个自闭症特征,包括社会行为缺陷以及异常纹状体突触和异常皮质-纹状体回路。这是科学家们第一次获得Shank3突变与自闭症样行为相关的直接证据。随后,Shank3与自闭症的相关研究越来越多,提供了更多的证据支持。

携带S685I的小鼠不会出现在缺少整个Shank3拷贝的小鼠中观察到的所有症状。更确切地说,S685I动物显示出增加的社会支配和社交修饰,但没有运动缺陷,焦虑增加或异常的自我修饰行为,这表明这些症状是通过与其他对接位点和与Shank3相关的细胞通路的相互作用介导的。

SHANK3基因坐落在人类22号染色体上,当22号染色体上包含SHANK3的一条小段区域缺失后,不管这一缺失是发生在哪条链上亦或者是两条链都出现缺失,都会导致Phelan-McDermid综合征的产生,同时SHANK3基因出现了某些突变同样也会导致这一综合征。

一些神经精神疾病可能归结为脑细胞相互沟通的程度。这可能受到许多因素的影响,包括在突触中起作用的蛋白质过多或过少

而当病人Shank3蛋白在体内只有正常人一半的表达量时,其生理功能必然会受到许多影响,再加上由于Shank3蛋白上有着许多不同蛋白的结合位点,所以神经元突触的功能障碍对Shank3蛋白的缺少表现出多面性。

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希望:使SHANK3表达量增加或成为未来新疗法

通常不确定微妙的遗传变化,例如一个基因中的错义变异是否是重要的。这是一种评估功能的策略,霍尔德说。

因此,研究者们通过全蛋白激酶组水平siRNA筛选法,成功地鉴定出了一系列能够调节Shank3蛋白稳定性的激酶,特别是其中MEK/ERK2信号通路中的激酶,能够使得Shank3蛋白稳定性降低。

坏处:SHANK3太少会导致神经系统疾病

两神经元突出间的递质及信息传递过程

我们研究了蛋白激酶 – 将磷酸基团添加到蛋白质中的酶 –
因为我们发现Shank3被磷酸基团广泛标记。此外,我们知道向蛋白质中添加磷酸基团是调节其稳定性的常用方法。激酶活性本身可以被某些小分子调节,霍尔德说。

“这一发现使我们想出了一种挽救Shank3生理活性的新策略“Holder教授表示,”我们认为,在SHANK3基因单拷贝缺失的小鼠中,比起想办法恢复Shank3下游的一条或某几条信号通路,或许使Shank3蛋白的表达量恢复至正常水平更能够解决问题并减轻部分或全部不正常表型。“

希望:调节SHANK3丰度可能会提供新疗法

在基因层面上筛选Shank3蛋白稳定性调节因子的策略未来或许还可以应用到其他剂量依赖性基因相关疾病上,并成为一种有潜力的疗法。

SHANK3基因位于22号染色体的顶端,特别是在22q13区域。我们继承了两条22号染色体,一条来自我们的母亲,另一条来自我们的父亲。当一个包含SHANK3的22q13区域的一部分缺失两个22号染色体或当SHANK3的某些突变发生时,结果就是Phelan-McDermid综合症,贝勒医学院儿科,神经学和发育神经科学助理教授霍尔德说。人们缺少SHANK3基因的两个拷贝中的一个,在没有这种情况的人群中存在一半量的SHANK3蛋白。

而当SHANK3基因出现了多个拷贝时,也会出现名为SHANK3 duplication
syndrome的疾病,病人往往会表现出过兴奋过度,双向情感障碍,以及癫痫。来自贝勒医学院儿科的助理教授Holder表示,当人们体内的SHANK3基因少了一个拷贝时,他们体内的SHANK3蛋白表达量相较正常人也会出现减半的现象。

“通过操控ERK2激酶,我们已经能够部分提升Shank3的蛋白表达量“Zoghbi教授说,”我们认为筛选出其他影响Shank3蛋白稳定性的调控因子从而使Shank3表达量恢复正常水平是十分有必要的。这预示了一种十分有潜力的疗法,就像如今的“鸡尾酒疗法”一样,通过同时调节不同的调控因子从而使SHANK3蛋白恢复至正常水平。“

Holder教授和Zoghbi教授以及他们的团队由此提出了在单拷贝缺失的Phelan-McDermid综合征病人体内,增加Shank3蛋白表达量的想法。

这位病人体内含有两个SHANK3基因拷贝,其中一个SHANK3基因的685位氨基酸残基由于一个碱基的改变出现了异常,从而导致Shank3蛋白生理功能出现异常。

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