自闭症和其他发育障碍的新基因驱动被发现

自闭症和其他发育障碍的新基因驱动被发现
图1 A:实验说明。引入绿色荧光蛋白,以便观察目标基因和整个神经元。B:将每个靶基因分别导入大脑皮层,跟踪树突棘动态2天(出生后第21天和第22天)。黄色箭头表示新形成的脊柱,红色箭头表示脊柱消除。C: B的量化结果的图表形式。D:引入Ndn后形成的脊柱形态分类数据。丝状足是一种未成熟的脊柱形成类型,Ndn的引入显著增加。来源:神户大学

包括神户大学教授Takumi Toru(也是RIKEN生物系统动力学研究中心的高级访问科学家)和助理教授Tamada Kota在内的研究小组,都是医学研究生院生理学部门的成员,在自闭症模型小鼠中发现了一种因果基因(Necdin, NDN),这种基因具有称为拷贝数变异的染色体异常。

研究人员希望阐明NDN基因的分子机制,以便为包括自闭症在内的发育障碍的新治疗策略的创建做出贡献。

这些研究成果发表在自然通讯2021年7月1日。

尽管被诊断为自闭症(自闭症谱系障碍)的患者数量已经大大增加,但这种发育障碍的许多方面仍然没有得到很好的理解。其成因分为遗传因素和环境因素。在这些在自闭症患者中发现了特定的拷贝数变化;例如,染色体15q11-q13重复。这些15q11-q13区域的异常分为母系遗传和父系遗传染色体复制病例。据了解,Ube3a基因驱动母源性染色体复制。然而,目前尚不清楚哪个基因对父源性复制至关重要。

该课题组此前成功开发了15q11-q13重复小鼠模型(15q dup mouse)。利用这种小鼠模型,他们在父源性染色体复制病例中发现了许多异常,包括自闭症样行为和树突棘形成异常。然而,研究人员无法确定是哪个基因导致了类似自闭症的行为,因为这个区域包含许多非编码RNA分子和编码蛋白质。

自闭症和其他发育障碍的新基因驱动被发现
图2 A: 15q dupΔNdn鼠标创建示意图。从原始的15qdup自闭症小鼠模型中去除Ndn基因的拷贝。B. 15q dupΔNdn小鼠树突棘形成率。C和D:抑制突触的量化。来源:神户大学

在15q dup小鼠中,有大量的基因复制延伸到6Mb区域。先前的研究表明,行为异常不是由母系染色体复制引起的,因此排除了2Mb左右。至于剩下的4Mb,研究人员首先创建了一个新的1.5Mb复制小鼠模型,并调查了行为异常。从结果来看,他们无法在1.5Mb复制小鼠中识别出任何类似自闭症的行为异常。因此,研究人员排除了这1.5Mb,留下了三个蛋白质编码基因作为可能的候选基因。

然后,通过子宫电穿孔将这三种基因分别导入小鼠大脑皮层。研究人员使用双光子显微镜在体内测量了脊柱的周转率(两天内树突棘的形成和消除),发现当引入Ndn基因时,棘的数量急剧增加(图1A-C)。此外,这些棘的形态分类表明,大多数是不成熟的。这揭示了Ndn基因在发育阶段调控树突棘的形成和成熟(图1D)。

利用CRISPR-Cas9,研究人员随后从15q dup小鼠模型中去除Ndn基因的一个副本,以生成该基因基因组拷贝数标准化的小鼠(15q dupΔNdn mouse)。使用这个模型,他们证明了在15qdup小鼠中观察到的异常(脊柱翻转率异常和抑制性突触输入减少)可以得到改善(图2)。

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图3A:露天测试结果当一只老鼠被放在一个盒子里时,它会开始调查它所处的环境。老鼠在新环境中通常喜欢角落,避开中心的开放区域。通过计算在每个区域花费的时间和移动的距离,就有可能评估老鼠的焦虑程度。到目前为止,本研究中使用的15q dup小鼠在实验中表现出高度焦虑。B:社会互动测试的结果。两只从未见过面的老鼠被放在同一个盒子里。社交性是通过观察他们互动和身体接触所需的时间来评估的。在研究小组迄今为止的研究中,15q dup小鼠在该测试中的社交能力低于正常小鼠。C:使用巴恩斯迷宫进行逆向学习测试的结果:巴恩斯迷宫是一个有12个洞的圆板,其中只有一个洞是“目标”。 The target hole has a box below it that the mouse can enter. A bright light is positioned above the circular plate. Mice generally dislike bright light and prefer dark places, so if a mouse is put on the plate, it will look for somewhere to hide. Using this characteristic, the mouse can be made to learn the target hole’s location over a period of days (C, upper illustration). Once the mouse has learned the target’s location correctly, the target’s location is reversed and relearned (C, lower illustration). It is understood that normal mice learn the new target location comparatively quickly compared to 15q dup mice who are slow to learn the new target, and persist in going to the original target’s location (perseveration). For the learning test, the target is removed and learning is evaluated by observing which hole(s) the mouse goes to and how long it stays there (Figure 3- right: TA= the new target hole and the two holes on either side. AJ1, AJ2: The three holes in each adjacent sector, OP: The previously learned target, and the two holes on either side.). Credit: Kobe University

最后,研究人员调查了之前在15q dup小鼠中观察到的自闭症样行为(包括在新环境中焦虑增加,社交性降低和毅力增强)是否在15q dupΔNdn小鼠中明显。他们表明,在15q dupΔNdn小鼠的大多数行为测试结果中,与社交性和毅力相关的异常行为得到了改善(图3)。

本研究发现,在15qup自闭症模型在美国,NDN基因不仅在自闭症样行为中发挥重要作用,而且还影响突触动力学和大脑皮层中的兴奋/抑制失衡等方面。接下来,研究小组希望阐明NDN基因的功能。通过人为调节这些功能或识别和控制其下游因素,研究人员希望了解自闭症等发育障碍的发病机制,并开发新的治疗策略。

更多信息:Kota Tamada等人,遗传解剖鉴定Necdin是父系15q重复小鼠模型的驱动基因,自然通讯(2021)。DOI: 10.1038 / s41467 - 021 - 24359 - 3

期刊信息: 自然通讯

所提供的神户大学
引用:确定了自闭症和其他发育障碍的新基因驱动因素(2021年7月9日),检索自2023年3月9日//www.puressens.com/news/2021-07-genetic-driver-autism-developmental-disorders.html
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