上海生科院揭示突觸囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控新機(jī)制 和陣發(fā)性運(yùn)動(dòng)誘發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙的神經(jīng)環(huán)路原理

 近日，中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院神經(jīng)科學(xué)研究所、腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室熊志奇研究組，在小腦和運(yùn)動(dòng)障礙研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《PRRT2 缺失造成小腦內(nèi)的突觸傳遞異常介導(dǎo)陣發(fā)性運(yùn)動(dòng)誘發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙》為題，在線發(fā)表在 Cell Research 上。研究人員系統(tǒng)地從分子、突觸、細(xì)胞和神經(jīng)環(huán)路水平解析了陣發(fā)性運(yùn)動(dòng)誘發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙（Paraxysmalkinesigenic dyskinesia, PKD）致病基因 PRRT2 在腦內(nèi)的神經(jīng)生物學(xué)作用及機(jī)制，為理解發(fā)作性運(yùn)動(dòng)障礙的發(fā)病機(jī)理和神經(jīng)元突觸囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的分子調(diào)控機(jī)制提供了新的認(rèn)識。
PKD 是嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，表現(xiàn)為非自愿性運(yùn)動(dòng)所誘發(fā)的肌張力障礙、舞蹈病、手足徐動(dòng)癥、顫搐或這些運(yùn)動(dòng)失調(diào)癥狀的組合，發(fā)作時(shí)沒有意識喪失，多發(fā)于青少年時(shí)期。該病自 1967 年被 Kertesz 等詳細(xì)描述以來，其確切的發(fā)病機(jī)制一直不明。熊志奇研究組此前與復(fù)旦大學(xué)華山醫(yī)院教授吳志英、福建醫(yī)科大學(xué)教授王檸課題組合作，發(fā)現(xiàn)了 PKD 致病基因 PRRT2。作為個(gè)被鑒定出來的 PKD 致病基因，PRRT2 在體內(nèi)的生物學(xué)功能以及如何調(diào)控運(yùn)動(dòng)功能，是亟待研究解決的問題。
在該研究工作中，研究人員發(fā)現(xiàn) PRRT2 是一個(gè)新的突觸蛋白，可與突觸蛋白 Syntaxin1A 及 SNAP25 相互作用，影響神經(jīng)元突觸內(nèi) SNARE 蛋白復(fù)合體的形成，從而調(diào)控囊泡入塢到突觸前膜的過程。盡管關(guān)于細(xì)胞囊泡運(yùn)輸和調(diào)控機(jī)制的研究已相對完善且非常重要，但人們從未發(fā)現(xiàn)該分子的調(diào)控作用，該研究揭示了突觸囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)上膜過程中的一個(gè)新“車閘”。研究人員制備了一系列的 PRRT2 基因突變小鼠，涵蓋模擬病人體內(nèi)突變位點(diǎn)、腦內(nèi)選擇性基因敲除、病毒介導(dǎo)的小腦內(nèi)局部基因敲除、小腦顆粒細(xì)胞內(nèi)選擇性基因敲除等方式，發(fā)現(xiàn)當(dāng) PRRT2 在體內(nèi)的功能缺失后，小鼠會(huì)在癲癇發(fā)作后、高溫環(huán)境下以及光遺傳刺激小腦的情況下出現(xiàn)陣發(fā)性運(yùn)動(dòng)失調(diào)和肌張力障礙等癥狀，表型與病人的癥狀十分相像。該癥狀的嚴(yán)重程度同蛋白表達(dá)量負(fù)相關(guān)，并可被抗癲癇藥卡馬西平所改善。研究人員使用 Ai32、GluN2C-iCre、Prrt2-floxed 等三種轉(zhuǎn)基因鼠，制備出可在小腦內(nèi)顆粒細(xì)胞中特異地自表達(dá)光遺傳通道蛋白 CHR2 而同時(shí)選擇性地敲除 PRRT2 基因的小鼠，進(jìn)行全細(xì)胞電生理記錄發(fā)現(xiàn)，PRRT2 突變小腦內(nèi)顆粒細(xì)胞的平行纖維與浦肯野細(xì)胞之間的突觸傳遞改變，造成浦肯野細(xì)胞放電異常，導(dǎo)致小腦功能紊亂和陣發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙。多年來，PKD 研究中存在的條件限制是缺乏有效的動(dòng)物模型，該研究制備了小鼠 PKD 模型，利用多種物理或化學(xué)范式，為后續(xù)開展藥物開發(fā)或干預(yù)治療探索提供了穩(wěn)定可靠的動(dòng)物疾病模型。綜上所述，該研究詳細(xì)而系統(tǒng)地揭示了 PRRT2 在腦內(nèi)的表達(dá)和功能，在體確認(rèn)了 PKD 發(fā)病的 PRRT2 功能缺失機(jī)制，揭示了 PRRT2 在突觸 SNARE 復(fù)合體形成和囊泡釋放中的重要調(diào)節(jié)作用，確定了小腦尤其是小腦顆粒細(xì)胞在 PKD 發(fā)病過程中的核心作用，解決了一直困擾該研究領(lǐng)域的關(guān)于 PKD 關(guān)鍵調(diào)控腦區(qū)環(huán)路的爭論，推進(jìn)了人們對發(fā)作性運(yùn)動(dòng)障礙發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識，同時(shí)對人們理解突觸傳遞的新分子調(diào)控機(jī)制也很有啟發(fā)。
該研究工作得到了科技部項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和上海市科委等的資助。

圖 1. 小腦是控制 PRRT2 相關(guān)運(yùn)動(dòng)障礙的關(guān)鍵腦區(qū)。A-C，腺相關(guān)病毒介導(dǎo) Cre/Loxp 系統(tǒng)在小腦內(nèi)局部敲除 PRRT2 表達(dá)（A,B），出現(xiàn)熱誘導(dǎo)性運(yùn)動(dòng)障礙的發(fā)作（C）；D-H，僅在小腦顆粒細(xì)胞中選擇性敲除 PRRT2 表達(dá)（D-F），小鼠出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力降低（G）和熱誘導(dǎo)性運(yùn)動(dòng)障礙發(fā)作（H）。I-K，在小腦顆粒細(xì)胞缺失 PRRT2 的小鼠中，利用光遺傳手段刺激小腦局部興奮（I），導(dǎo)致誘發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙的出現(xiàn)（J, K）。