來源：小柯生命

北京時間2021年8月3日晚23時，美國普渡大學楊洋教授團隊在Cell Reports上在線發(fā)表論文——“Severe deficiency of the voltage-gated sodium channel NaV1.2 elevates neuronal excitability in adult mice”的學術論文，報道了該團隊關于NaV1.2通道蛋白的嚴重缺失對神經(jīng)元興奮性影響的研究成果。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，電壓門控鈉離子通道負責神經(jīng)元動作電位（action potential）的形成和傳導，是神經(jīng)元不可或缺的膜蛋白?，F(xiàn)有教科書理論認為鈉離子通道的表達或功能的增強會降低動作電位的閾值，進而增強神經(jīng)元放電能力；相反，鈉離子通道的缺失會升高動作電位閾值從而降低神經(jīng)元興奮性。

SCN2A基因負責編碼NaV1.2通道蛋白。NaV1.2的激活突變（gain-of-function）與癲癇發(fā)生密切相關；NaV1.2的缺失（loss-of-function或protein-truncating）則是導致單基因自閉癥的最重要遺傳因素之一。為了理解由NaV1.2缺失導致的病理生理現(xiàn)象，來自美國、法國、日本和韓國的多個課題組利用經(jīng)典基因敲除手段制作Scn2a缺失小鼠模型，并開展研究。在圍產(chǎn)期，純合子Scn2a?/?敲除的小鼠全部死亡；而雜合子Scn2a+/?小鼠（~50%野生型小鼠的NaV1.2表達量）能夠活到成年，但雜合子小鼠不能表現(xiàn)出明顯的異常行為學，因此不能充分模擬臨床自閉癥表型。事實上，利用雜合子敲除使蛋白水平下降到大約50%水平時，小鼠不能再現(xiàn)人類疾病表型的這一現(xiàn)象并不罕見?；蛟S更嚴重的蛋白敲低是觸發(fā)異常表型的必要因素。

由于對NaV1.2的100%敲除是致死的，來自普渡大學的楊洋教授團隊創(chuàng)新性地引進了新的NaV1.2缺失模型。該模型利用了基因陷阱的策略（gene trap strategy），使純合子NaV1.2轉(zhuǎn)基因小鼠可以成活到成年，同時其NaV1.2的表達量下降到野生型的正常小鼠大約四分之一水平，并且表現(xiàn)出了典型的異常行為學特征[1]。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，伴隨NaV1.2缺失的自閉癥患者當中有20~30%會進一步患有遲發(fā)性癲癇（late-onset）。為什么NaV1.2缺陷，原本預期會降低神經(jīng)元興奮性，卻最終促進癲癇發(fā)作？這個未解之謎長期困擾著研究人員。

圖1 成年NaV1.2嚴重缺失小鼠的紋狀體神經(jīng)元放電能力增強。（圖片引自：Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495）

在最新這篇文章中，第一作者張精亮博士等利用腦片電生理技術，通過記錄（與NaV1.2介導癲癇的相關腦區(qū)的）神經(jīng)電信號，發(fā)現(xiàn)了成年NaV1.2嚴重缺失小鼠的紋狀體神經(jīng)元（MSN）放電能力明顯增強，同時產(chǎn)生完整動作電位所需的最小刺激電流（rheobase）更?。▓D1）。通過進一步觀察動作電位的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)動作電位閾值顯著升高。經(jīng)典理論認為動作電位閾值升高會抑制動作電位的產(chǎn)生，但為什么動作電位閾值升高的神經(jīng)元會過度興奮呢？現(xiàn)有理論似乎并不能解釋這一異常發(fā)現(xiàn)。

圖2 激活電壓門控鉀離子通道可以恢復增強的放電能力。（圖片引自：Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495）

為了理解這一矛盾現(xiàn)象，張博士等利用RNA-seq測序技術，研究了小鼠的基因轉(zhuǎn)錄表達情況（圖2）。結(jié)果顯示，伴隨著NaV1.2表達的嚴重不足，多種鉀離子通道也都明顯降低。這個結(jié)論得到了qPCR實驗的進一步驗證。盡管如此，離子通道表達水平的改變也并不意味著其功能的必然改變。由于NaV1.2嚴重缺乏小鼠的紋狀體神經(jīng)元呈現(xiàn)出明顯降低的鉀離子電流，因此鉀通道的功能異常也被進一步確認。而進一步研究表明，利用電壓門控鉀離子通道的開放劑增加鉀離子電流后，神經(jīng)元異常增加的興奮性得到明顯改善。

通常，鉀離子通道與鈉離子通道共同維持神經(jīng)元的正常放電功能。在接近穩(wěn)態(tài)的情況下，鉀離子通道適當?shù)拇鷥斝詼p少可能抵消NaV1.2不足對動作電位產(chǎn)生的抑制作用，從而維持神經(jīng)元的興奮性；但在NaV1.2嚴重缺失的情況下，鉀離子通道可能產(chǎn)生了過度代償，從而打破平衡，導致了神經(jīng)元興奮性的病理性增強。張博士等研究人員的發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)生理學上有重要意義，突破了現(xiàn)有對鈉離子通道和神經(jīng)元興奮性的認知，有望改寫教材。

圖3 增強的放電能力可以通過恢復NaV1.2的表達而逆轉(zhuǎn)。（圖片引自：Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495）

圖4 增強的放電能力屬于神經(jīng)元自身的性質(zhì)，不依賴于神經(jīng)環(huán)路。（圖片引自：Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495）

在神經(jīng)病理學的層面上，科學界廣泛認為對于那些基因突變導致的神經(jīng)發(fā)育性疾病，在患者成年后很難進行有效治療。張博士等通過在成年小鼠上部分恢復NaV1.2的表達（圖3-4），或者激活鉀通道（圖2），發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元興奮性能恢復到接近正常水平，提示即便是在成年階段，通過基因或者藥物手段干預，仍有希望緩解病癥。

綜上，本文研究結(jié)果或能為進一步探究人類NaV1.2缺失導致自閉癥或癲癇的發(fā)生提供了一個潛在的細胞及分子機制，從而引導精準醫(yī)學藥物及干預手段的開發(fā)。

普渡大學楊洋課題組專注研究與鈉離子通道相關的癲癇、自閉癥以及神經(jīng)痛（利用包括誘導人源干細胞、類腦組織，轉(zhuǎn)基因小鼠等多種模型），致力于推進藥物基因組在神經(jīng)系統(tǒng)疾病上的應用。如對相關研究感興趣，歡迎通過email（yangyang@purdue.edu）聯(lián)系！

相關論文信息：

https:///10.1016/j.celrep.2021.109495

參考文獻

1.Eaton, M., et al., Generation and basic characterization of a gene-trap knockout mouse model of Scn2a with a substantial reduction of voltage-gated sodium channel Nav 1.2 expression. Genes Brain Behav, 2021: p. e12725.