多種品系基因敲除小鼠模型在自閉癥研究中的應用

自閉癥患者因缺乏與他人的溝通和適切的語言交流能力，難以體會他人的情緒和表達自己的感覺，而時常出現(xiàn)一些重復刻板行為，像是活在自己的世界里，被形象地稱為“來自星星的孩子”。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)量以及無法醫(yī)治的現(xiàn)狀，讓自閉癥成為了科學研究中最被關注的兒童發(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發(fā)。

今天要和大家見面的是自閉癥基因編輯小鼠模型。

01 ASD簡介
自閉癥譜系障礙（Autistic Spectrum Disorders，ASD），也稱孤獨癥譜系障礙，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年美國發(fā)布的精神疾病診斷統(tǒng)計手冊第5版（DSMV）對自閉癥及其相關障礙診斷標準做出修訂，取消了原有的自閉癥（Autism）說法并歸類至自閉癥譜系障礙（ASD），ASD包括了之前的經典自閉癥、阿斯伯格綜合征和兒童瓦解性精神障礙等^[2]。通常情況下，人們所說的自閉癥指ASD即廣泛意義上的自閉癥。

02 ASD致病機制
ASD的具體致病機制未明，主流的觀點認為主要與遺傳和環(huán)境有關，數(shù)據顯示ASD是高度可遺傳的疾病，其同卵雙胞胎的符合率高達90%。2016年發(fā)表的一項薈萃分析報告顯示74-93%的自閉癥風險是可遺傳的，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%的概率會發(fā)生ASD^[3]。目前有1000多個基因被發(fā)現(xiàn)可能與ASD遺傳風險相關，其中大多數(shù)基因都和大腦不同功能區(qū)域之間的正常神經發(fā)育和連接密切相關，這表明了導致ASD風險的共同途徑^[4]。與ASD相關的遺傳異�？煞譃槿�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、大片段缺失、倒置和易位；

3.多種變異積累而導致的多基因風險因素。但ASD主要是由是何種基因和何種類型突變導致的仍在進一步的研究。

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，當患有ASD的兒童成長為青少年和成年人時，他們極難發(fā)展和維持友誼或與他人交流，同時還伴有焦慮、抑郁、注意力缺陷和多動障礙等癥狀^[5]。目前ASD治療以對癥治療為主，主要針對干擾日常功能和生活質量的癥狀，由于ASD對每個人的影響不同，每個患者都由不同的治療需求，治療方案通常涉及多個專業(yè)領域。由于致病機制尚不清楚，目前無法針對ASD的病因進行治療，急需更多關于ASD致病機制的研究。

04 ASD疾病模型
來自ASD患者數(shù)據顯示神經木質素（NLGN3/4）、神經細胞表面蛋白（NRXN1和CNTNAP2）、SH3和多個錨蛋白重復結構域蛋白3（SHANK3）、甲基CpG結合蛋白2（MECP2）、脆性X智力低下基因1（FMR1）、結節(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風險相關^[5]，但并不是每一個基因的突變都會導致ASD的產生，基因突變的致病性需要充足的實驗數(shù)據進行驗證。在過去數(shù)十年的研究中，科研人員構建了多個由ASD相關基因缺失誘導的自閉癥或類自閉癥小鼠，為ASD疾病機制研究、藥物靶標發(fā)現(xiàn)和新型治療方法開發(fā)提供了更多的動物模型，以下是幾個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的大片段缺失會導致類似ASD表型，但這些缺失的片段中包含了至少30個基因，導致ASD表型出現(xiàn)的基因無法明確。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多個基因中，Tbx1呈現(xiàn)高度的ASD相關性，Tbx1單基因缺失的雜合小鼠（HT）表現(xiàn)為在社會交往、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相關行為學表型，左側：發(fā)聲頻率和持續(xù)時間，右側：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）以及其他神經精神和神經發(fā)育障礙（精神分裂癥和智力殘疾）有關。SHANK3是一種突觸后蛋白，其在遺傳水平上的缺失是導致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-紋狀體回路的缺陷，并伴隨重復性的自殘和社會交流的缺陷。該研究揭示了SHANK3在神經元連接的正常發(fā)育中所起的關鍵作用，成功在小鼠體內建立起SHANK3缺失與自閉癥樣行為的聯(lián)系^[7]。
 

圖2 Shank3B^-/-小鼠的社交互動減少，社交新穎性識別異常^[7]

Cntnap2（E1敲除，B6品系）
Cntnap2編碼Neurexin超級家族的一個神經元跨膜蛋白成員，參與神經元-神經膠質細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發(fā)育不良-局灶性癲癇綜合征（CDFE）相關，這是一種罕見的疾病，會導致癲癇發(fā)作、語言倒退、智力殘疾和多動，同時在近三分之二的患者中也存在類自閉癥的表型，后續(xù)越來越多的研究證明了該基因與自閉癥或自閉癥相關內表型風險增加的聯(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及相關的神經發(fā)育障礙密切相關。Cntnap2^-/-小鼠表現(xiàn)出ASD三個核心行為領域的缺陷，并伴隨多動和癲癇發(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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