综述：从分子到模型：自闭症谱系障碍机制与研究工具的全面综述

《Neurobiology of Disease》：From molecules to models: A holistic review of autism spectrum disorder mechanisms and research tools

智力障碍与PAK3-R67C变异的关系及其小鼠模型分析。

　　在人类神经发育障碍的研究中，科学家们发现了一些与智力障碍（ID）相关的重要基因，其中PAK3基因位于X染色体上，其变异已被证实与智力障碍和一系列临床表现相关。尽管对这些基因变异与表型之间的关系已有一定的了解，但具体的关联机制仍然存在许多未解之谜。本文重点探讨了PAK3-R67C变异，这是目前发现的最靠近蛋白氨基末端的变异之一，最初被认为与非综合征性X染色体智力障碍有关。研究团队通过分析第二个出现该变异的家族，进一步揭示了其相关的临床表现，并结合体外生化实验和对应的敲入小鼠模型，探索了其生物学特性。这些发现有助于更全面地理解PAK3相关疾病的基因型与表型之间的关系。

PAK3属于I类p21激活蛋白激酶家族，这一类激酶在多种信号通路调控中起着关键作用，特别是在调控细胞骨架动态变化方面。在大脑中，PAK1、PAK2和PAK3不仅参与神经前体细胞的增殖和细胞命运决定，还在神经元分化、迁移、轴突定向、树突分支形成以及突触可塑性等方面发挥重要作用。它们对于突触棘的形成和动态调节也至关重要，而突触可塑性是学习和记忆的基础。虽然PAK1、PAK2和PAK3在序列相似性、底物和调控机制方面有诸多重叠，但它们在细胞和发育中的表达模式有所不同，这使得它们能够执行特定的脑功能。

研究发现，影响I类PAK基因的遗传变异与多种神经发育障碍（NDDs）相关，每种变异都与不同的临床表现有关。例如，PAK1的致病性变异通常与智力发育障碍、巨颅症、癫痫和语言延迟有关，而PAK2的变异则与智力障碍、自闭症谱系障碍（ASD）、视网膜退化和脑膨出有关，这些被称为Knobloch综合征类型II。相比之下，PAK3的变异更为复杂，已知有约二十种不同的变异，这些变异与不同程度的X染色体智力障碍（XLID）有关，并且可能伴随自闭症特征、注意力缺陷多动障碍（ADHD）、癫痫、语言障碍以及脑部异常，如小头畸形或大头畸形。目前，尚无简单的基因型-表型关联规则，因此研究人员提出了不同的假设，以解释这种复杂性。例如，不同的PAK3变异可能影响不同的蛋白质功能，从而导致不同的病理机制和临床表现。某些错义变异，如K389N或G424R，会导致严重甚至致命的表型，因为它们会导致PAK3蛋白缺乏激酶活性，进而破坏ERK或PIX依赖的信号通路。而无义突变通常会导致mRNA的无义介导的mRNA降解（NMD），这可能会导致蛋白表达水平下降，从而影响PAK3的功能，这种影响通常较轻。

在PAK3中，R67C变异是首次在MRX47家族中被报道的错义突变，导致中度至重度智力障碍，而没有癫痫或行为问题。该家族的六个男性患者均表现出语言能力差，没有其他明显的临床特征，如生长问题或身体异常。随后，该变异在另一家系中再次被发现，涉及大约1000名患者的大规模研究，通过靶向下一代测序技术筛选了约500个已知或候选的ID相关基因。在这次研究中，研究人员首次报道了来自家庭575的三名受影响个体的临床特征，这些个体表现出运动技能发展迟缓、语言能力差、学习困难以及社会互动障碍。这些发现表明，R67C变异与非综合征性智力障碍有关，并且可能影响社交行为和语言能力。

为了进一步研究R67C变异的影响，研究团队开发了首个携带该变异的小鼠模型。之前的认知评估表明，成年雄性PAK3-R67C小鼠在长期空间记忆和模式分离任务中表现出选择性损伤，这被归因于成年海马体神经发生异常。在此研究中，研究人员对这些小鼠进行了更全面的表型分析，发现了新的表型特征，包括轻度运动能力缺陷、认知和社会功能障碍，以及小头畸形。同时，研究还发现了海马体中结构和功能性的突触缺陷，以及可能解释小鼠表型的生化和细胞层面的变化。这些临床和实验数据证实了PAK3-R67C变异在相关症状中的因果作用，并验证了该小鼠模型在研究PAK3相关疾病中的有效性。

研究团队发现，PAK3-R67C小鼠表现出轻微但显著的运动能力缺陷，但其协调性和平衡能力未受影响，这表明R67C变异主要影响肌肉力量，而非小脑依赖的运动功能。此外，社交行为方面，这些小鼠表现出对陌生成年小鼠的回避行为，尽管它们的社交接触时间和亲昵行为没有明显变化。这提示R67C变异可能影响社交反应，而不是整体的社交回避或攻击性。然而，这些小鼠在焦虑样行为、抑郁样行为或感觉整合方面未表现出异常，这与临床观察一致，即R67C患者没有表现出焦虑或抑郁的迹象，与携带其他变异（如W446S或S527G）的患者形成对比。

在功能性的突触分析中，研究团队发现PAK3-R67C小鼠在海马体CA3-CA1突触处表现出显著的突触传递减少，但突触结构未发生明显变化。这表明突触传递的减少可能与突触效能降低有关，而不是突触结构异常。进一步的实验表明，该变异可能通过改变突触结构的可塑性来影响认知功能。这些发现表明，PAK3-R67C变异可能具有获得性功能增强效应，而不是简单的功能丧失。

此外，研究还发现，PAK3-R67C小鼠表现出显著的小头畸形，其多个脑区的体积均减少，特别是海马体和小脑。然而，在携带该变异的患者中，小头畸形并未被报告。这可能是因为在人类中，小头畸形的诊断标准依赖于头围测量，通常需要低于平均值两个标准差，而这种间接评估方法可能无法准确反映实际的脑体积变化。相比之下，小鼠模型可以通过先进的影像技术和体积分析，更精确地检测到轻微的小头畸形。因此，研究人员认为，携带R67C变异的患者可能有轻微的小头畸形，但未被发现或报告。

在分子机制方面，研究团队通过体外生化实验发现，PAK3-R67C变异增强了其与PAK相互作用交换因子（PIX）的结合能力，同时降低了其与CDC42的结合亲和力。这可能导致PAK3的激活动力学发生变化，从而影响其功能。此外，研究还发现，该变异增加了与NCK2蛋白的结合，而NCK2是调节突触传递的关键适配蛋白。然而，PAK3-R67C变异不影响其与PAK1的异源二聚化能力，因为该变异位于与PAK二聚化无关的区域。这些发现表明，R67C变异主要影响PAK3与某些蛋白的相互作用，从而改变其功能特性。

为了进一步研究这些变化的影响，研究团队在体外进行了细胞迁移实验，发现PAK3-R67C变异并未影响细胞迁移能力，尽管它改变了粘附点的分布。这表明，尽管该变异改变了某些细胞过程，但并未显著影响细胞迁移。这些发现表明，R67C变异可能通过改变与细胞外基质相互作用的复合物，影响细胞功能，但不影响迁移能力。

综上所述，这项研究不仅确认了PAK3-R67C变异的致病性，还揭示了其在认知、社交和运动方面的具体影响。研究团队通过详细的表型分析和小鼠模型，为理解该变异相关的临床表现提供了重要的实验依据。这些发现有助于更全面地认识PAK3相关疾病的复杂性，并为未来的治疗策略提供了理论基础。