GABA能信號系統(tǒng)與神經(jīng)發(fā)育障礙*

劉美蘭 綜述 張俊青 審校

(濟寧市精神病防治院，濟寧 272051)

神經(jīng)發(fā)育障礙(neurodevelopment disorders，NDDs)是一組癥狀出現(xiàn)在兒童或青少年時期的疾病，其影響一些高級認知功能，如學(xué)習、社交和情緒[1]。NDDs風險基因中有相當一部分編碼γ-氨基丁酸(GABA)能信號系統(tǒng)的組成成分，包括轉(zhuǎn)錄因子、GABA受體、抑制因子突觸蛋白等，這些組成成分如發(fā)生基因突變或表觀遺傳變異可引起抑制神經(jīng)元嚴重的功能障礙[2]。本文將著重闡述GABA能信號系統(tǒng)功能障礙在NDDs發(fā)生發(fā)展中的作用機制，為臨床NDDs的診斷和治療提供參考。

1 GABA能信號系統(tǒng)

1.1 GABA能信號系統(tǒng)組成

GABA是一種主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，廣泛分布于大腦和脊髓中。哺乳動物大腦發(fā)育過程中，GABA能神經(jīng)元在增殖區(qū)產(chǎn)生的細胞遷移到特定大腦結(jié)構(gòu)并組裝成GABA能信號系統(tǒng)。GABA能信號系統(tǒng)由谷氨酸脫羧酶(GAD)、GABA、GABA轉(zhuǎn)運蛋白和GABA受體(GABAR)組成[3]。GABA由GAD65/67催化谷氨酸脫羧產(chǎn)生，再通過GABA轉(zhuǎn)運蛋白與GABAR結(jié)合發(fā)揮作用。GABAR分為離子型受體(GABAAR、GABACR)和代謝型受體(GABABR),前者屬于電壓門控氯離子通道，后者屬于G蛋白耦聯(lián)受體。

1.2 GABA能信號系統(tǒng)生理功能及其作用機制

大腦皮層中，數(shù)目眾多的興奮性神經(jīng)元與抑制性中間神經(jīng)元通過突觸相互連接或自我連接，構(gòu)建成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行感覺、運動、學(xué)習、決策等功能。由谷氨酸能神經(jīng)元提供的興奮性信號和由GABA能神經(jīng)元提供的抑制性信號往往是相輔相成的，從而達到興奮和抑制的平衡。各類GABA能神經(jīng)元所組成的抑制性微環(huán)路對平衡的維持十分重要[4]。

GABA能信號系統(tǒng)通過相位性抑制和緊張性抑制2種模式調(diào)節(jié)神經(jīng)回路。依據(jù)GABA存在的位置和傳遞方式的不同，GABA介導(dǎo)的電流特性也不相同。GABA存在于突觸內(nèi)，于突觸間傳遞，介導(dǎo)的是相位性抑制電流。這類抑制發(fā)生較快且時間精確，往往緊接首個動作電位之后，隨后馬上結(jié)束，稱為快相交互抑制。若 GABA存在于突觸外，如突觸間隙、細胞間隙，通過傳遞作用于突觸后膜，介導(dǎo)的則是緊張性抑制電流，抑制電流具有持續(xù)性的特點。相位性 GABA來自丘腦網(wǎng)狀核中的GABA能神經(jīng)元，而緊張性GABA的來源尚存爭議[5]。

2 GABA能信號系統(tǒng)障礙與NDDs

2.1 遺傳、表觀遺傳和環(huán)境風險因素

NDDs具有很強的遺傳傾向。許多NDD風險基因編碼的蛋白質(zhì)是GABA能信號系統(tǒng)的組成成分，如 GABAARβ3亞基和突觸前細胞黏附分子NRXN1、NRXN2和NRXN3。孤獨癥譜系障礙(ASD)患者GPHN基因可見拷貝數(shù)變異和外顯子缺失，而GPHN基因編碼突觸支架蛋白 Gephyrin，參與GABAAR抑制性突觸的形成和聚集[6]。Collybistin蛋白是一種與 Gephyrin 結(jié)合的 GDP-GTP 交換因子，可調(diào)節(jié)GABAAR聚集，其基因一旦發(fā)生突變可導(dǎo)致X連鎖智力障礙的嚴重腦病和癲癇[7]。

NDDs可檢測出多種表觀遺傳變異。編碼DNA(胞嘧啶 5)-甲基轉(zhuǎn)移酶 3A的DNMT3A基因如發(fā)生突變可破壞基因甲基化模式，增加自閉癥的發(fā)病風險。一些ASD患者GABAAR亞基基因 GABRA1 和 GABRB3的表達可發(fā)生表觀遺傳沉默。從小鼠神經(jīng)元中敲除 Fmr1 基因會導(dǎo)致表觀遺傳調(diào)節(jié)因子的過度翻譯和相當多的表觀遺傳錯誤調(diào)節(jié)[8]。

大多數(shù)疾病是遺傳易感性和環(huán)境因子相互作用的結(jié)果。接觸某些環(huán)境風險因素，例如傳染性病原體、藥物、濫用物質(zhì)和毒素，可能會擾亂基因表達譜，從而增加NDDs的發(fā)病風險。懷孕期間由嚴重感染引起的母體免疫激活(MIA)可增加后代NDDs患病風險。

2.2 GABA能系統(tǒng)功能異常

編碼Nav1.1的電壓門控性鈉通道SCN1A主要存在于腦內(nèi)GABA能抑制中間神經(jīng)元的軸突起始段，SCN1A等位基因功能丟失性突變可導(dǎo)致GABA能抑制中間神經(jīng)元放電功能障礙而引起Dravet綜合征等難治性癲癇[9]。SCN1A基因敲除后,小鼠可表現(xiàn)出自發(fā)癲癇發(fā)作，且在出生后一周內(nèi)死亡。

自閉癥易感基因Ptchd1在丘腦網(wǎng)狀核(TRN)選擇性表達，而TRN主要由PV+GABA能神經(jīng)元組成，控制皮層和丘腦之間的信息流。ASD和智力殘疾(Intellectual disability，ID)中存在X連鎖基因Ptchd1的罕見拷貝數(shù)變異和錯義突變[10]。特異性敲除TRN中的Ptchd1,小鼠表現(xiàn)出注意力缺陷和多動癥的行為[11]。TRN中的GABA能神經(jīng)元在睡眠的產(chǎn)生和維持中起到非常重要的作用，Ptchd1Y/-型小鼠可觀測到睡眠紡錘波活動減少和碎片化睡眠的產(chǎn)生[11]。

MECP2基因突變可引起Rett綜合征。Rett綜合征是一種嚴重影響兒童精神運動發(fā)育的神經(jīng)發(fā)育性遺傳病?；颊咧饕桥ⅲ话銖陌霘q到一歲半時起病，呈進行性智力下降。GABA能神經(jīng)元MECP2基因敲除后，小鼠可呈現(xiàn)Rett綜合征和自閉癥特征。相反，恢復(fù)GABA能神經(jīng)元MECP2基因表達，MECP2Y/-雄性小鼠或MECP2+/-雌性小鼠Rett綜合征癥狀可得到極大改善[12]。因此，通過GABA能神經(jīng)元調(diào)節(jié)興奮/抑制平衡可作為Rett綜合征的潛在治療方法。

大腦的突觸和回路具有高度的可塑性，并不斷地進行自我平衡調(diào)整。NDDs風險基因在神經(jīng)回路可塑性調(diào)控中起著非常重要的作用。在Rett綜合征和Angelman綜合征模型小鼠可觀測到視覺皮層可塑性受損。鉀氯聯(lián)合轉(zhuǎn)運蛋白2(K+-Cl-cotransporter 2，KCC2)和鈉鉀氯聯(lián)合轉(zhuǎn)運蛋白1(Na+-K+-Cl-cotransporter 1，NKCC1)是調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)氯離子穩(wěn)態(tài)的主要陽離子氯離子聯(lián)合轉(zhuǎn)運蛋白，NKCC1將Cl-轉(zhuǎn)運入胞內(nèi)，KCC2將Cl-轉(zhuǎn)運至胞外，兩者共同調(diào)節(jié)氯離子平衡及神經(jīng)元的興奮性。KCC2/NKCC1表達異?？梢餑ABA從抑制性向興奮性轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致NDDs[13]。FXS模型小鼠在發(fā)育關(guān)鍵期抑制NKCC1表達可恢復(fù)體感皮層突觸可塑性，說明氯離子穩(wěn)態(tài)的破壞可能是NDDs皮質(zhì)可塑性損害的基礎(chǔ)[14]。

GABAAR是抑制性蛋白復(fù)合體，介導(dǎo)前腦大多數(shù)快速突觸抑制，其數(shù)量或活性的精確變化直接影響抑制強度。GABAAR通常由兩個α(α1-6)、兩個β(β1-3)和一個γ(γ1-3)或一個δ亞基組成。特異性敲除編碼GABAARδ-亞基的基因，小鼠可表現(xiàn)出焦慮樣而不影響運動表現(xiàn)的行為，表明由強直性GABA能抑制介導(dǎo)的小腦非運動功能的破壞可導(dǎo)致某些NDD癥狀[15]。

3 治療

3.1 基因靶向療法

基因靶向療法是治療NDDs的新型治療方式，其中最有希望的治療方式是基因替代和基因編輯技術(shù)?；蛱娲煼ㄍǔＪ褂貌《据d體將感興趣的基因轉(zhuǎn)移到靶細胞，以補償有缺陷的內(nèi)源基因。在Rett綜合征或FXS模型小鼠中，把載有MECP2或FMR1的病毒載體注入海馬中，可改善Rett綜合征或FXS模型小鼠的認知功能[16-17]。目前，基因編輯技術(shù)已在多種疾病中得到應(yīng)用?；蚓庉嫼团ｓw外胚胎培養(yǎng)等繁殖技術(shù)結(jié)合，允許使用合成的高度特異性的內(nèi)切核酸酶直接在受精卵母細胞中進行基因組編輯。CRISPR-Cas9進一步增加了基因編輯在動物基因靶向修飾的應(yīng)用范圍。FXS神經(jīng)元模型中，利用dCas9-Tet1/single guide RNA (sgRNA)使FMR1基因靶向去甲基化可促進FMR1基因重新激活和功能恢復(fù)[18]。

3.2 蛋白質(zhì)靶向療法

NDDs基因治療存在很多不確定性，如病毒載體轉(zhuǎn)染效率和靶基因表達情況?？朔@種限制的一種策略是開發(fā)藥物繞過上游的遺傳或環(huán)境因素，直接靶向作用于執(zhí)行細胞功能的蛋白質(zhì)。許多小分子藥物是GABAAR和GABABR的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑,可作用于苯并二氮位點，誘導(dǎo)GABAAR或GABABR構(gòu)象和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對受體的相關(guān)功能起到變構(gòu)調(diào)控作用。另外，一些小分子藥物是NKCC1特定的阻滯劑，如VU0463271，可減少NKCC1活性，增強GABA能抑制的功效，改善NDDs患者癥狀[19]。也可以通過蛋白質(zhì)翻譯后修飾方法調(diào)節(jié)KCC2或NKCC1活性，如靶向修飾WNK(with-no-lysine kinase)，磷酸化KCC2和NKCC1可分別抑制或激活它們的功能[19]。

3.3 中醫(yī)藥治療

注意缺陷多動障礙(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)為一種在兒童時期發(fā)生的神經(jīng)發(fā)育障礙。中醫(yī)藥治療ADHD以滋腎平肝、調(diào)和陰陽、安神益智、豁痰開竅為主[20]。中醫(yī)藥調(diào)節(jié)ADHD的信號通路研究集中于DA、5-HT、NE 等神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，而GABA能信號系統(tǒng)的研究較少。下一步可加強這方面的研究。

4 小結(jié)與展望

GABA屬于抑制性神經(jīng)遞質(zhì),可抑制中樞神經(jīng)系統(tǒng)過度興奮,對腦部具有安定作用,促進放松和消除神經(jīng)緊張。GABA能系統(tǒng)功能異常及其相關(guān)遺傳、表觀遺傳等改變可導(dǎo)致涉及X連鎖智力障礙的嚴重腦病和癲癇等NDDs。了解遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)的相互作用和環(huán)境因素可能有助于解釋具有共同疾病個體的疾病表型的嚴重程度或相關(guān)的遺傳性NDDs的診斷。NDDs風險基因的突變通常存在于大腦不同類型的細胞中。系統(tǒng)地了解NDDs相關(guān)回路異常并進一步剖析不同細胞類型在介導(dǎo)腦回路功能障礙中的各自作用至關(guān)重要。

利益沖突：所有作者均申明不存在利益沖突。