UBE3AQ588E功能获得性突变在小鼠中引发类似天使综合征的神经发育表型研究成果解读

研究人员针对 UBE3A 功能获得性突变的表型机制问题，研究 Ube3aQ606E小鼠模型，发现其有类似天使综合征表型，为相关研究提供依据。

　　在生命科学的神秘领域中，基因与疾病的关系一直是科研人员探索的重点。UBE3A 基因编码一种 HECT 结构域 E3 泛素连接酶（E3 ubiquitin ligase），它在神经元中通过泛素 - 蛋白酶体途径（ubiquitin–proteasome pathway），对底物蛋白进行泛素化修饰并促使其降解。这个基因位于染色体 15q11 - 13 区域，并且在神经元中存在印记现象，只有母源等位基因表达。

母源 UBE3A 基因的缺失或无效突变会导致天使综合征（Angelman syndrome），这是一种严重的智力障碍疾病，患者会出现运动功能障碍、癫痫、小头畸形、面部畸形以及独特的快乐面容等症状。而包含 UBE3A 基因的母源染色体 15q11 - 13 区域的重复或三倍体，则会引发 Dup15q 综合征，患者常表现出自闭症行为、运动功能障碍、智力障碍和癫痫。

近年来，越来越多的证据表明，UBE3A 活性过高也会导致神经发育异常。此前研究发现，一些携带 UBE3A 功能获得性突变的个体，并未被诊断为天使综合征，而是表现出自闭症、智力障碍和运动功能障碍等症状，但这些表型存在高度异质性，其背后的机制尚不清楚。

为了深入探究 UBE3A 功能获得性突变的表型机制，来自华盛顿大学医学院（Washington University School of Medicine）的研究人员开展了相关研究。他们聚焦于 UBE3A^Q588E突变（在小鼠中为 Ube3a^Q606E），对携带该突变的小鼠模型进行了详细研究。研究成果发表在《Scientific Reports》杂志上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是构建和鉴定携带 Ube3a^Q606E突变的小鼠模型，并通过基因分型技术确保实验小鼠的基因型准确；其次，利用行为学实验，包括旋转棒实验、开放场实验、Morris 水迷宫实验等多种实验，全面评估小鼠的运动能力、活动水平、学习记忆能力等行为学特征；此外，运用蛋白质组学技术，对小鼠大脑皮质进行串联质谱标签（TMT）蛋白质组分析，探究突变对大脑蛋白质组的影响；还使用磁共振成像（MRI）技术，对小鼠大脑的结构和体积进行检测。

研究结果如下：

1. 运动能力相关研究：研究人员对 Ube3a^mQ606E突变小鼠进行了一系列运动能力测试。在旋转棒实验中，当旋转棒以恒定速度旋转时，突变小鼠在棒上停留的时间与野生型小鼠开始出现差异；在加速旋转棒实验中，突变小鼠的表现明显比野生型小鼠差。在握力测试中，虽然突变小鼠和野生型小鼠掉落的时间没有显著差异，但只有突变小鼠在 60 秒的时间限制内从屏幕上掉落。在杆测试中，突变小鼠转头向下和爬到杆底部的时间都比野生型小鼠长。这些结果表明，Ube3a^mQ606E突变小鼠在力量和协调任务方面存在缺陷。
2. 活动水平和学习记忆研究：在开放场实验中，Ube3a^mQ606E突变小鼠的总移动距离比野生型小鼠减少，进入中心圆和周边区域的次数也相应减少，且休息时间明显增加，这表明突变小鼠表现出活动减少的症状。在 Morris 水迷宫实验中，突变小鼠在可见平台的线索试验中游泳速度降低；在隐藏平台的空间获取试验中，虽然突变小鼠到达隐藏平台的潜伏期增加，但总路径长度不受影响；在探测试验中，突变小鼠的游泳速度较慢，总移动距离减少，穿越平台前位置的次数也减少。综合这些结果，研究人员认为突变小鼠仅表现出游泳速度降低，而没有学习能力缺陷。
3. 心理和社会行为研究：研究人员通过大理石埋藏实验、强迫游泳实验、社交优势管测试和三腔社交接近实验，对突变小鼠的刻板行为、抑郁样行为和社交行为进行了测试。结果发现，突变小鼠的刻板行为减少，在强迫游泳实验中与野生型小鼠的不动时间没有差异，在社交优势和等级识别方面没有受损，在对新物体和陌生小鼠的偏好上与野生型小鼠也没有差异，但在所有试验中进入各腔室的次数较少，表现出活动减少。这说明 Ube3a^mQ606E突变对小鼠的社交性、社交新奇偏好或社交优势表现没有影响。
4. 大脑结构研究：研究人员对 Ube3a^mQ606E小鼠的大脑进行了全脑重量测量和 MRI 分析。结果发现，从出生后第 5 天开始，突变小鼠的大脑重量就明显低于野生型小鼠，且这种差异与体重无关。MRI 分析显示，突变小鼠在出生后第 12 天和 8.5 个月时，全脑体积均减小，包括大脑皮层、小脑、中脑和杏仁核等区域的体积都显著减少，但侧脑室体积不变。这表明 Ube3a^mQ606E小鼠出现了后天性的小头畸形。
5. 蛋白质组学研究：对出生后第 1 天小鼠的大脑皮质进行蛋白质组分析，发现只有少数蛋白质的丰度发生了显著变化。其中，UBE3A 蛋白显著下调，而 HERC2、BOD1 和 SOGA1 等蛋白则上调。通路分析表明，突变小鼠的蛋白质组在与线粒体、谷氨酸能突触、氨酰 - tRNA 合成酶和蛋白酶体相关的通路中存在富集。此外，研究人员还发现，突变小鼠大脑中的细胞凋亡和脂质过氧化水平与野生型小鼠没有显著差异，这说明小头畸形不是由细胞凋亡增加引起的。
6. UBE3A 活性研究：通过蛋白质印迹分析，研究人员发现 Ube3a^mQ606E小鼠大脑中 UBE3A 蛋白的水平仅为野生型小鼠的约 20%，与 Ube3a^{m - / p +}小鼠大脑中残留的 UBE3A 水平相似。进一步研究发现，Ube3a^Q606E突变导致 UBE3A 在体内的活性总体丧失，这可能是由于其增强了自我靶向降解。

研究结论和讨论部分指出，Ube3a^mQ606E小鼠表现出与以往报道的 UBE3A 功能获得性小鼠模型不同的行为表型，反而与天使综合征小鼠模型的表型有很大重叠。这表明 UBE3A^Q588E突变虽然在体外表现出酶活性增加，但在体内却具有总体抑制作用，可能是通过增强自我靶向降解导致 UBE3A 蛋白水平降低，进而引起类似天使综合征的表型。

此外，研究人员还发现，不同的 UBE3A 功能获得性突变对成年小鼠行为的影响存在差异，这可能与神经元对高活性 UBE3A 蛋白水平的敏感性以及突变对 UBE3A 靶向自身和底物方式的影响有关。该研究结果为理解 UBE3A 功能获得性突变的分子机制提供了新的视角，也为开发针对相关疾病的治疗方法提供了重要依据，例如针对 UBE3A 印记机制开发反义寡核苷酸（ASOs）治疗方法时，需要考虑到不同突变的体内影响。