神经科学家通过恢复细胞间的信号传导 在自闭症动物模型实验中取得突破
主图：最佳设计/iStockphoto
2014年，神经科学家Ivan Galimberti在一个聚焦罕见病研究的会议上遇到了一名身患Phelan-McDermid综合征（PMDS）的七岁小男孩。这个孩子的动作不协调，基本不会说话，也不愿与其他人进行眼神交流。和其他PMDS患者一样，男孩的第二诊断认为他存在自闭障碍。医生已经弄清这名男孩的疾病是由SHANK3其中一个等位基因缺失导致的。基因一般都是成对出现，但这名男孩的SHANK3基因仅剩下一个拷贝，这使得他不能产生足够数量的结构蛋白来维持神经突触的稳定以及神经元间的信息传递。
诺华生物医学研究中心（NIBR）科学家Galimberti与其在NIBR和弗雷德里希•米歇尔研究所（FMI）的同事们共同发现了一个能够治愈该疾病的潜在方法。通过抑制另一个被称为CLK2蛋白的活性，缺失Shank3基因的神经元之间的信号传导又可以重新开启，同时他们还发现Shank3 缺失小鼠的社交能力也因此恢复，该论文于今年2月4号在线发表于《科学》（Science）杂志。
“能够遇到这样一个患者，他的基因缺陷正是我们研究所在，真是太有激励作用了。”论文通讯作者、NIBR发育与分子通路部门研究员Galimberti说：“我们和FMI一起加快了研究步伐，以最快的速度发现并验证新的治疗靶点，希望新技术的应用能让这名患者早日康复。”
这个发现也许还和特发性自闭症患者的治疗相关，这类患者首先被确诊的疾病就是自闭症。2014年的一个分析研究发现，自闭症患者中有0.69%存在SHANK3基因突变，有超过2.12%的患者伴有中度至重度的智力障碍，也许这些患者也能从CLK2抑制剂的治疗中获益。
“从新药发现的角度看，CLK2是一个易于操作的靶点”论文第一作者、Galimberti 研究团队的博士后研究员Michael Bidinosti说：“这个药是一个蛋白激酶，过去已经有很多蛋白激酶相关的药物研发成功。”
发现关键蛋白质
这个研究团队是在一个蛋白质组学的大型实验中偶然发现了这个药物靶点。他们与NIBR的蛋白质谱专家合作，将缺乏Shank3基因的小鼠神经细胞产生的蛋白质谱与对照组正常小鼠的神经细胞蛋白质谱进行对比，从而弄明白哪种蛋白的异常是导致Phelan-McDermid综合征的原因。具体操作方法是通过测量蛋白质磷酸化的数量来反应蛋白质的活性，研究者发现几种在Akt/mTORC1分子信号通路上的蛋白，活性存在明显差异。
在Shank3基因缺失的神经细胞中，这些蛋白质的磷酸化程度较低，由此可以推测患病神经元的Akt/mTORC1信号通路的信号传递已经终止。而之前就有科学家提出Akt/mTORC1信号通路和自闭症的发生关系密切，所以这次的新发现也让研究团队深受鼓舞。
蛋白质组学实验还发现Shank3基因缺失的细胞其蛋白激酶CLK2的表达水平是正常细胞的两倍。科学家又设计了其他实验证明CLK2的增加是导致Akt/mTORC1信号通路终止信号传递的原因。而这个关于CLK2和与其对应的分子信号传导通路之间关系的意外发现，也为自闭症症候群（Shankopathies）的治疗和研究提供了新的途径。
自闭症研究新局面
在发现CLK2这个潜在治疗靶点之后，研究人员还需要利用细胞以及动物模型来验证这个靶点，而这个过程要求研究人员对电生理相关的知识有深入了解，同时还要明白如何对实验动物的行为进行测定。幸运的是，NIBR的研究员早已和FMI的专家建立起了定期合作沟通的机制。FMI是诺华和巴塞尔大学共同建立的一所研究院，那里的专家Andreas Lüthi和Pico Caroni能够为接下来的研究提供技术支持。Lüthi是焦虑症方面的研究专家，对神经电生理有深入的研究，而Caroni的研究主要关注学习和记忆方面的能力，研究重点是小鼠的行为遗传。
“我们在新靶点发现方面的贡献并不多”， 但Caroni认为：“设计验证实验同样需要专业，这样就能充分利用一些实验技巧同时避开一些陷阱，所以我们就像是NIBR分子通路研究小组的一个延伸部分，双方组成共同的团队对最初的发现进行拓展实验。”
研究小组设计了多个Phelan-McDermid综合征的模型。首先，在脑组织的切片中抑制Shank3基因的表达并观察其形态和功能的变化。研究者发现这些Shank3基因缺失的神经元他们的树突棘数量较少，而树突棘是神经元之间连接必不可少的部分。当团队使用工具化合物（他们从供应商订购的分子）抑制CLK2活性或激活Akt-mTORC1通路时，树突棘的数量会重新增加，此外，Andreas Lüthi的小组证实经过化合物处理后的神经元电生理活动也重新恢复，即神经元跨突触信号传递的频率得以恢复。
科学家团队又利用Phelan-McDermid综合征患者的细胞重复了上述实验。研究人员把从患者皮肤上获取的细胞去分化为干细胞，然后再将它们诱导分化为神经元，接下来研究人员再度使用工具化合物对这些神经元进行处理，之后Shank3基因缺失神经元之间的跨突触电信号传递也被成功恢复。
最后一步是证明上述改变对患者行为的影响，Pico Caroni’s在这个时候加入了团队。Shank3基因缺失的小鼠会表现出和自闭症患者类似的社交减退症状，小鼠是典型的社会性动物，但是Shank3基因缺失的小鼠会故意躲避它的同伴，当研究人员抑制基因缺失小鼠CLK2激酶活性时，他们的社交能力又重新恢复。这一实验主要通过观察小鼠参与集体活动的意愿以及其与同伴互动的情况来进行评估，具体方法是，接受工具化合物治疗后的小鼠在独处和与陌生小鼠交流之间会更倾向于选择后者。
“作为一个团队，我们的研究成功建立了分子生物学、神经回路和行为之间的关系”，Galimberti说：“这是一个令人信服的临床前研究，它将为Phelan-McDermid综合征和自闭症的新药研究开启一个新的局面。”
Reference
作者：Alyssa Kneller
来源：NERD Blog
图片来源：iStockphoto