小鼠ASTN2基因敲除揭示关键的自闭症相关行为

　　

超过70个基因与自闭症谱系障碍(ASD)有关，这是一种发育状况，大脑的差异导致了一系列行为的改变，包括语言、社交、多动和重复运动方面的问题。科学家们正试图逐个基因、逐个神经元地梳理出这些特定的关联。

其中一种基因是ASTN2。2018年，洛克菲勒大学发育神经生物学实验室的研究人员发现，该基因产生的蛋白质缺陷如何破坏患有神经发育疾病的儿童小脑中的电路。

现在，同一个实验室发现，完全敲除该基因会导致自闭症的几个标志性行为。正如他们在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表的一篇新论文中所描述的那样，缺乏ASTN2的小鼠在四个关键方面表现出与野生型同伴明显不同的行为:它们发声和社交较少，但在行为上更加活跃和重复。该论文的第一作者Michalina Hanzel说：“所有这些特征在自闭症患者身上都有相似之处。除了这些行为，我们还发现了小脑的结构和生理变化。”

“这是神经科学领域的一个重大发现，”实验室负责人Mary E. Hatten说，她几十年来一直专注于这一大脑区域的研究。“它还强调了一个新兴的故事，即小脑具有完全独立于运动功能的认知功能。”

意想不到的角色

2010年，Hatten的实验室发现，ASTN2基因产生的蛋白质有助于引导神经元在小脑发育过程中迁移并形成小脑结构。在2018年的研究中，他们检查了一个家庭，其中三个孩子同时患有神经发育障碍和ASTN2突变。他们发现，在发育的大脑中，这些蛋白质具有类似的指导作用:它们通过引导受体离开神经表面，为新的受体腾出空间，从而保持神经元之间的化学对话。在突变的基因中，蛋白质无法发挥作用，受体堆积起来，导致阻碍神经元连接和交流的交通堵塞。这种影响可以从儿童的痛苦中看到，包括智力障碍、语言迟缓、注意力缺陷多动症和自闭症。

越来越多的证据表明，小脑——大脑中最古老的皮层结构——不仅对运动控制很重要，而且对语言、认知和社会行为也很重要，这一发现只是其中的一部分。

在目前的研究中，Hanzel想看看ASTN2基因的完全缺失可能对小脑结构和行为产生什么影响。Hanzel与Hatten实验室的前博士后Zachi Horn以及威尔康奈尔医学院的Shiaoching Gon合作，花了两年时间培育出了一只缺乏ASTN2基因的敲除小鼠，然后研究了幼鼠和成年小鼠的大脑和活动。

行为上的相似之处

基因敲除小鼠参与了几项非侵入性行为实验，以观察它们与野生型同伴的对比。敲除小鼠在所有小鼠中表现出明显不同的特征。

在一项研究中，研究人员短暂地隔离了幼鼠，然后测量了它们用超声波呼唤母亲的频率。这些声音是鼠社会行为和交流的关键部分，它们是研究人员评估与人类语言技能相似之处的最佳代理之一。

野生型的幼崽很快就会用复杂的、音调变化的声音呼唤它们的母亲，而击倒型的幼崽在有限的音调范围内发出更少、更短的叫声。

Hanzel说，类似的沟通问题在ASD患者中很常见。“这是最能说明问题的特征之一，但它存在于一个范围内，”她说。“一些自闭症患者不理解隐喻，而另一些人则重复他们听到的语言，还有一些人根本不会说话。”

在另一项实验中，研究人员测试了ASTN2小鼠如何与熟悉和不熟悉的小鼠相互作用。他们更喜欢与他们认识的鼠互动，而不是与他们不认识的鼠。相比之下，野生型小鼠总是选择社会新颖性的新面孔。

Hanzel补充说，这也与人类的ASD行为相似，对不熟悉的环境和人的不情愿是常见的。“这是一个非常重要的结果，因为它表明，基因敲除突变的鼠不喜欢社交新鲜事物，更喜欢和它们认识的鼠在一起，这与ASD患者相对应，他们倾向于喜欢新的社交互动，而不是熟悉的社交互动。”

在第三个实验中，两种类型的鼠都被允许在一个开放的空间里自由探索一个小时。ASTN2小鼠比其他小鼠走的距离要远得多，而且重复的行为，比如原地打转，多出40%。多动和重复行为都是众所周知的ASD的特征。

大脑区域之间沟通不畅

当他们分析ASTN2小鼠的大脑时，他们在小脑中发现了一些微小但明显有效的结构和生理变化。一种是被称为浦肯野细胞的大型神经元具有更高密度的树突棘，树突棘的结构与发送神经信号的突触一起被发现。但他们只在小脑的不同区域检测到这种变化。Hanzel说:“例如，我们发现最大的差异在后蚓区，那里控制着重复和不灵活的行为。”

科学家们还发现，被称为丝状足的未成熟树突棘的数量减少，帮助细胞迁移的伯格曼神经胶质纤维的体积减少。

“差异非常微妙，但它们明显影响了鼠的行为，”Hatten说。“这些变化可能正在改变小脑与大脑其他部分之间的交流。”

未来，研究人员计划研究人类小脑细胞，他们已经用干细胞开发了六年，以及在2018年的研究中由该家族捐赠的ASTN2突变细胞。

Hatten说:“我们想看看能否在人类细胞中找到与小鼠相似的差异。我们还想研究与自闭症相关的其他基因的详细生物学。它们有几十种，但没有一个公认的共同点将它们联系在一起。我们非常兴奋，我们已经能够详细展示ASTN2的作用，但还有更多的基因需要研究。”