孤独症突触功能异常假说研究进展

李素水1、 贾美香2、 宋　雯1、 孙志刚1、 赵　方1、 赵瑞申1

【摘要】本文综述了孤独症的突触功能异常假说，主要是细胞粘附分子对突触的影响。

【关键词】孤独症 ；细胞粘附分子 ；突触功能

【中图分类号】  R749

【文献标识码】 A　 

【文章编号】1673-2952（2016）02-0217-04

DOI:10.13479/j.cnki.jip.2016.02.006

孤独症是一种严重的神经发育障碍，临床和病因学方面具有高度异质性，美国精神障碍诊断统计手册第五版将其称为孤独症谱系障碍（Autism spectrum disorder，ASD），临床症状分为两大方面①社会互动、言语和非言语交流异常，②刻板、固定行为模式和不寻常的感觉刺激反应，童年早期起病，患病率约为 1 ％［1］，预后很差。目前尽管孤独症的生物学病因模式理论很多［2］，但发病机制依然不清楚。由于很多孤独症高风险基因编码突触蛋白质，影响突触形成、成熟以及突触与神经元的连接，因此提出孤独症很可能是一种突触功能障碍的假说［3］。本文重点综述了细胞粘附分子对突触的影响，包括神经连接蛋白（neuroligin，NLGN）、轴突蛋白（neurexin，NRXN）家族和接触素相关蛋白 2（contactin-associated protein-like 2，CNTNAP2）。

一、孤独症可能的病理学机制 - 突触功能异常假说

1.　细胞粘附分子（cell adhesion molecules，CAM）与突触功能CAM 是跨膜糖蛋白，主要包括 NLGN、NRXN家族和 CNTNAP2，对神经元细胞的迁移、轴突生长和保护、突触形成、突触稳定性、树突分枝和树突刺动态学方面有重要作用。人类 NLGN 有五个亚型，为 NLGN1-3、NLGN4X 和 NLGN4Y ；而啮齿类动物编码 4 个亚型 Nlgn1-4，Nlgn1 和 Nlgn2 分别位于兴奋性突触后与抑制性突触后，Nlgn3 兴奋性和抑制性突触均出现，Nlgn4 位于视网膜、脊髓和几个较低脑区的抑制性突触，也可出现在海马和层的兴奋性突触 ；NRXN 家族有三个成员 NRXN1-3，分别表达一个长α亚型和一个短β亚型，当 Nrxn m RNA 转录遭遇广泛的可变剪接（alternative splicing）时，出现数以千计的可变基因产物，形成不同的跨突触信号传递复合体，Nrxn-Nlgn 复合体被认为是识别突触身份和突触连通性最关键的技术参数，与许多分子机制有关 ；CNTNAP2 是细胞外区域Ⅰ型跨膜蛋白质，是接触素 2（CNTN2）的一种连接蛋白，在有髓神经的郎飞结区，连接蛋白及相关蛋白使神经元 - 胶质细胞之间交互作用，产生蛋白质聚集效应，在有髓神经髓鞘形成之前，CNTNAP2 有分离神经发育功能的作用，是建立神经回路所必需的［4］。

2.　ASD 可能的病理学机制近十年的研究发现了几个关键的孤独症突变基因，尤是拷贝数变异体（copy number variants，

CNVs），即相对较大的 DNA 片段插入或缺失，解释了约 10％散发孤独症患者的病因，这些罕见突变基因编码突触 CAM，影响突触形成和神经分化［3］；动物实验也发现这些突变基因的神经病理学和行为异常的关系，因此提出孤独症很可能是一种突触功能障碍的假说，认为突变基因编码突触 CAM，影响轴树突活性和代谢性谷氨酸受体（m Glu R）功能，使局部树突 m RNA 翻译和蛋白质合成异常，导致神经元致残，突触可塑性和连接性方面的异常，出现孤独症表现型［4］。另外引起学者们关注的对孤独症病理学有重要意义的是神经细胞初生纤毛，它来自细胞

体的突起细胞器，由于作用于信号传递中枢，与细胞循环和迁移有关，对脑发育也有重要意义。影响初生纤毛的基因是 NRXN、钙粘着蛋白、CNTN 家族的 CAM，Joubert 综合征是一种纤毛病理学障碍，常与孤独症共病，联系散发 ASD［5］，孤独症基因纤毛功能细胞筛查超过 50％以上初生纤毛长度受损。Kumamoto 等［6］研究发现在树突延伸和突触形成中，观察到新生神经元接近目的地时有纤毛精确的聚集过程，如果成年出生的谷氨酸能神经元纤毛缺失将引起树突精修和突触形成的严重缺陷，提示成年出生的神经元初生纤毛需要经过适当的树突精修和突触整合过程才能发育成熟，具有正常神经元功能，因此突变基因引起初生纤毛的病理变化对突触形成的影响也可能与孤独症发病有关。

二、动物模型研究 - 啮齿类动物

1.　Nlgn 与 Nrxn 突变鼠模型研究

鼠模型研究最多的是 Nlgn3 突变，主要是 Nlgn3氨基酸替代（也称 R451C 突变）和缺失，引起编码蛋白质改变使突触形成异常与孤独症“核心缺陷”有关，有人研究发现 R451C 突变导致 Nlgn3 分子滞留在细胞内质网内，剩余的 Nlgn3 分子与β-Nrxn-1 的结合能力下降 ；也有发现 R451C 突变导致剩余在细胞表面的 Nlgn3 分子有诱导突触形成的功能，事实上导致的是功能性获得而不是功能性丢失［4］。Etherton等［7］对 Nlgn3 R451C 敲入鼠研究发现，在体感觉皮层区观察到自发性抑制性突触传递增加和抑制性突触强度增加，伴有抑制性突触前蛋白质 VIAAT 水平增加 ；在海马区 AMPA 受体介导的兴奋性突触传递增加，并改变 NMDA 受体介导的突触反应动态学，加强长时程增强作用、增加树突分枝和改变突触结构，因此 Nlgn3 R451C 敲入是以一种区域回路性的特殊方式高度依赖于突触内容来调节突触结构和功能。Földy 等［8］对两类不同 NLGN3 突变鼠模型研究，结果 R451C 基因敲入鼠小白蛋白形成的抑制性突触传递受损，而胆囊收缩素形成的突触传递增强，这正与内源性大麻素信号传递改变的结果一致，结论是① R451C 基因敲入鼠孤独症模型的病理学机制与连续性内源性大麻素信号传递受损有关，②因不同区域和突触类型 R451C 突变引起的效应也不同，可能是功能性获得也可能是功能性丢失，提示 R451C突变产生的神经信号传递效应具有复杂性，也表明Nlgn 和突触各结构成分之间相互作用具有平衡效应，才能正常发挥突触功能和信号传递。大鼠海马神经元实验培养发现 R451C 突变影响神经元同步性 ；小鼠水迷宫研究揭示 R451C 基因敲入表现社交互动受损，但空间学习能力增加［8］。因此 R451C 突变出现的不同效应解释了孤独症的各种表型，这对理解其神经生物学机制有重要意义。EI-Kordi 等［9］小鼠模型研究 Nlgn4 缺失表现的行为特征与孤独症核心症状有关，包括社会交往受损、减少超音发声和增加刻板行为，但表现型的细胞生物学机制还不清楚，如果说 Nlgn4 靶机视网膜神经元的甘氨酸能突触，引起功能性丢失导致视网膜抑制性突触传递紊乱，那么中枢神经系统出现相似的病理过程也是可能的。在小鼠模型中，α-Nrxn1 缺失导致反射前脉冲抑制减少，海马部位兴奋性突触强度特异性缺陷，而抑制性突触强度无变化，小鼠表现自我修饰行为增加和筑巢活动受损，提示分别代表孤独症患者所观察到的频繁刻板行为和相关社交障碍，迄今还无β- Nrxn1 基因敲除鼠模型的报道，在活体研究中尽管提示位于突触的α- 和β- Nrxns 复合体结构已清楚，具有不同的功能，但同型和特异剪接变异体抗体方面的制作缺乏很难区分 Nrxns 不同亚型的功能，因此Nrxn 突变有待进一步研究［4］。

2.　CNTNAP2 模型研究 

小鼠模型研究 Cntnap2 缺陷表现许多皮层神经元的表现型，但在神经发育早期阶段 Cntnap2 缺陷与孤独症样相关行为密切相关［4］。Cntnap2 去除（ablation）引起谷氨酸能锥体细胞和 GABA 能中间神经元迁移异常以及中间神经元数量减少，导致皮层神经元分布异常，表现高异步放电模式，突变小鼠有异常脑电图活性和癫痫发作、行为缺陷包括运动动作刻板、固定（inflexibility）、减少超音发声和社交行为，利培酮能逆转异常行为，但对社交行为无效［10］。在细胞生物学水平，已表明 RNAi- 介导的击倒 Cntnap2 鼠兴奋性神经元树突分枝和树突刺发育减少，Cntnap2 丢失引起兴奋性突触和抑制性突触数量减少，导致神经网络处于活性（activity）状态的严重后果［11］。

三、孤独症患者研究

1.　NLGN、NRXN 和孤独症的关系研究

2003 年 Jamain 等在孤独症同胞中发现了 X- 连锁基因突变，编码为 NLGN3 和 NLGN4，首次确定了 NRXN-NLGN 复合体与孤独症间的连锁证据，随后报道了大量的基因突变和 CNVs，尽管 NLGNs 和NRXNs 突变解释了不足 1％孤独症，但仍认为是最普遍的孤独症单基因遗传原因［4］。迄今为止人类发现约 30 多个 NLGN3 基因突变与孤独症有关［8］，研究最多的是 Jamain 等发现的位于精氨酸到半胱氨酸之间的突变，即 R451C 突变，为易感孤独症的高风险基因 ；最新研究也发现孤独症个体 NLGN3 基因的缺失［4］，鼠模型研究认为 NLGN3 突变的病理学机制是海马部位连续性内源性大麻素传递信号改变所致［8］。NLGN4X 突变与孤独症的关系也频繁报道，几乎所有研究均报道 NLGN4X 突变是功能性丢失，导致NLGN4 在细胞内质网滞留，阻止 NLGN4 诱导突触形成，与孤独症发病有关［4］。NRXN1 基因突变与多种神经精神障碍有关，如精神分裂症和孤独症，基因突变主要是影响α- NRXN1 启动子和起始外显子，而留在β- NRXN1 编码序列则保持完整 ；然而另一组突变基因簇研究仅发现只有β- NRXN1 外显子突变与孤独症有特异性关系，而与精神分裂症无关，提示β- NRXN1 突变对孤独症更有鉴别意义［12］。

2.　CNTNAP2 与孤独症关系研究 

有研究报道严重的神经发育障碍包括孤独症有CNTNAP2 丢失，CNTNAP2 丢失导致髓鞘形成之前分离神经发育的功能受损，还报道 CNTNAP2 具有调节语言和大脑远程连接性的功能，在人脑发育中额叶、颞叶以及纹状体环路和成年额叶皮层有丰富的 CNTNAP2 信使 RNA，这些区域与人类语言功能有关，而孤独症患者语言发育和语言学习能力受损很常见，在分子方面，CNTNAP2 主要是帮助细胞迁移和组织分层，表明突变对神经元回路结构有影响，尤是 CNTNAP2 表达的皮层模式与额叶连接性有关，据报道与不典型孤独症及相关问题（如注意多动缺陷障碍）有关，因此 CNTNAP2 突变影响脑神经元的连接性，增加患孤独症的风险［3］。

四、支持突触功能改变的磁共振波谱学研究证据证据提示罕见基因突变尤是 CNVs 编码突触CAM，影响突触形成、突触联系的坚固性以及突触信号传递受损，支持“突触功能障碍”假说，证据有①质子磁共振波谱研究发现孤独症患者 N- 甲基天门冬氨酸浓度（测量神经元密度和线粒体功能）和胆碱标记化合物有显著差异 ；也发现谷氨酸能神经递质异常在孤独症中的重要性，成年孤独症患者杏仁核 -海马区域谷氨酸浓度增加，但儿童孤独症患者的许多脑区浓度则下降，因此孤独症的突触缺陷可能改变的不是结构而是谷氨酸和 GABA 介导兴奋性和抑制性之间平衡紊乱，谷氨酸和 GABA 之间的传递平衡是认知功能和情绪性行为调节所必需的，而孤独症临床特征多存在过度兴奋以及学习和记忆障碍 ；②正电子发射断层扫描研究与对照组相比，孤独症患者 GABAα-5 受体结合力有显著性差异 ；③孤独症患者血清素能系统异常，血羟基色胺过多，孤独症与血清素合成、转运体和受体基因多态性之间显著关联，影像学研究报道在与社交互动有关的脑区（如扣带回）孤独症患者血清素合成、血清素2A受体结合力下降和 5- 羟色胺转运体均有显著差异 ；④皮层血清素水平具有调节面部情绪处理过程的作用，发现孤独症患者在面部情绪处理过程中有异常的脑活动性，此时社交功能受损更明显，尽管前人研究提示 5- 羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）对孤独症治疗无效，但依然有学者认为与血清素有关，可能的原因是 SSRI 作用较小而孤独症异质性较大，异质性增加了研究难度［3］。小结 ：本文综述了孤独症突触功能异常假说，主要是 CAM 对突触的影响，鼠模型研究认为基因突变影响 CAM 功能，使突触功能和发育障碍，导致树突蛋白质合成改变，树突分枝和树突刺动态学变化 ；另外 CAM 的功能改变也可能影响到患者脑细胞初生纤毛联系孤独症的病理学机制。影像学研究提供了某些突触功能异常的证据。当然神经元和突触发育的机制还受其他因素的影响如支架蛋白、信号传递蛋白、受体等，不在本文综述范围。

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