2019-08-30 | SHANK3突变猕猴的自闭症类似行为和神经连接 Autistic-like behavior and connectivity in SHANK3 mutant macaques
报告人：Dr. Robert Desimone
整理人：杨岑
审核人：Dr. Yuji Naya
2019年8月30日，美国国家科学院院士与美国人文与科学院院士、美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）脑与认知科学系的Doris and Don Berkey 神经科学教授、麦戈文脑研究所所长Robert Desimone应北京大学麦戈文脑科学研究所的邀请，为大家带来了一场题为“Autistic-like behavior and connectivity in SHANK3 mutant macaques”的学术报告。在本场讲座中，Robert Desimone教授介绍了其研究团队参与的、近期发表于《Nature》杂志的研究成果——利用CRISPR 基因编辑技术构建SHANK3基因突变的自闭症猕猴模型[1]。
SHANK3基因与疾病
SHANK3基因编码兴奋性突触上的支架蛋白，SHANK3蛋白参与组织其他蛋白质在突触后细胞膜上聚集，从而协调细胞响应来自于突触前细胞的信号。该基因的异常与多种疾病相关，研究表明单个SHANK3基因的突变便可导致疾病。其中，1%以上的先天性自闭症谱系障碍是由于单个SHANK3基因突变导致的。另外，SHANK3的缺失也是导致Phelan-McDermid 综合症的主要原因，这类病人通常具有神经发育障碍。SHANK3基因突变的病人通常有一些共同的特征，包括广泛性发育障碍、严重睡眠障碍、严重言语发育障碍以及自闭症谱系障碍的典型特征（例如社交障碍、机械重复）。
SHANK3突变猕猴模型
研究表明SHANK3基因敲除的小鼠表现出与自闭症相关的特征，包括刻板行为、社交障碍、焦虑等[2]。然而，由于啮齿动物模型在开发治疗方法的作用上存在局限性，建立与人类更相似的自闭症动物模型显得至关重要。相比于老鼠，猕猴的脑结构和功能更接近人类。它们与人类相似，均拥有高级认知能力和复杂的社会行为。那么，由CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术则成为建立灵长类自闭症模型的一种高效、可靠的技术。Desimone教授研究团队运用该技术精准编辑猕猴SHANK3基因上的特定位点，成功繁育出SHANK3突变猕猴。随后，利用SHANK3突变猕猴的精子，他们还成功繁育出同样带有SHANK3突变的第一代子代。体细胞基因分型（图1a）和脑组织活检（图1b）显示这些猕猴SHANK3基因的突变及SHANK3蛋白水平的降低。这些结果表明CRISPR基因编辑技术可以高效突变猕猴基因，且该突变可以进行种系传代。
图1
SHANK3突变猕猴的行为
为探究SHANK3突变猕猴是否会表现出自闭症相关的异常行为，该研究团队对突变猕猴和作为对照的正常猕猴进行了一系列行为评估。他们发现突变猕猴的整体活动水平显著降低，入睡所需的时间显著延长，睡眠时较易觉醒。这些结果表明突变猕猴的整体睡眠效率下降（图2a）。他们还发现突变猕猴的重复性刻板行为显著增加（图2b），包括后空翻、舔手指和咬笼子等。而不同于在突变小鼠中普遍存在的重复性抓挠行为，在突变猕猴中这些重复性刻板行为存在个体差异。另外，突变猕猴对于栖息地的探索有降低趋势，发声及社会交互（图2c-e）频率均显著降低。除此之外，通过使用屏幕在猕猴面前呈现视频并对其进行眼动追踪，他们还发现突变猕猴表现出异常的眼动模式（图2f-i）。例如，对视频的瞳孔反射显著延迟，观看视频的时间显著延长，咂嘴行为显著增加和维持注视时间显著缩短。突变猕猴的这些异常行为与自闭症谱系障碍或Phelan-McDermid综合症病人的一些行为高度相似。
图2
SHANK3突变猕猴的脑功能连接
为探究SHANK3突变猕猴的脑结构及其功能连接是否存在异常，该研究团队对SHANK3突变猕猴和正常猕猴进行脑MRI扫描。他们发现突变猕猴的脑结构上呈现出灰质减少，白质和脑脊液体积不变。除此之外，他们还发现突变猕猴在脑功能上呈现出异常的连接（图3）。例如，一些脑区之间的长程连接减少，尤其是默认模式网络（default mode network）之间连接不足，包括后扣带回（posterior cingulate cortex），内侧前额叶（medial prefrontal）和运动区（motor）之间。另外，丘脑（thalamic）和纹状体（striatal）也呈现出局部连接不足。相反的，躯体感觉皮层（somatosensory cortex），外纹皮质区（extrastriate cortical areas）和后扣带回却呈现出局部过度连接。这些结果表明突变猕猴的脑结构和功能存在与自闭症谱系障碍病人相似的模式。
图3
小结
通过基因编辑技术，Desimone教授研究团队成功繁育出可种系传代的SHANK3基因突变猕猴。这些突变猕猴呈现出与自闭症谱系障碍或Phelan-McDermid综合症病人相似的异常行为与脑功能连接模式。该研究标志着建立自闭症灵长类动物模型的新突破，为理解自闭症的神经生物学机制和开发新的治疗手段提供了研究基础。
最后，Desimone教授强调该项研究由中国科学院深圳先进技术研究院、中山大学、华南农业大学及美国麻省理工学院团队合作完成，其成果离不开中美双方研究人员的共同努力。
参考文献
[1] Zhou Y. et al. Atypical behaviour and connectivity in SHANK3-mutant macaques. Nature 570, 326–331 (2019).
[2] Peça J. et al. Shank3 mutant mice display autistic-like behaviours and striatal dysfunction. Nature 472, 437–442 (2011).