癫痫中的嵌合突触

撰文、编译：吴越

遗传性X连锁早发性儿童癫痫，也被称为EFMR（epilepsy and mental retardation limited to females），属于X染色体连锁疾病。与其他X连锁疾病不同的是，EFMR的发病人群不是半合子（hemi）的男性，而是杂合子（het）的女性。只有杂合子女性才会表现为癫痫和智力低下[1, 2]，这种不同寻常的疾病在50多年来一直困扰着临床医生和遗传学家、

近日，研究人员鉴定出了一个X染色体上的基因有害突变，该基因是编码细胞粘附分子的PCDH19，为EFMR疾病的起源提供了线索[3]。研究人员发现在Pcdh19杂合突变的雌性小鼠中海马突触传递受到了损害，而在Pcdh19半合突变的雄性小鼠中则没有。他们阐述了保留一个野生型等位基因的丢失如何扰乱神经元连接的分子机制。

一般来说，患有X连锁疾病的女性是没有症状的，因为她们携带一个完整的野生型等位基因。相反，半合子男性只表达突变的基因，不能产生功能蛋白。那么，EFMR性逆转的原因是什么呢？对此问题的解答依赖于识别具有EFMR症状的自发性男性[4]。EFMR自发性的男性部分体细胞的PCDH19基因发生突变，因此在胚胎发育过程中大脑中正常表达PCDH19的区域同时包含PCDH19阳性和阴性（具有不起作用的PCDH19等位基因）神经元。而为了确保适当的基因表达水平，雌性细胞会出现X染色体失活，即其中一条X染色体被沉默。因此，具有PCDH19突变杂合子的雌性个体也会因个体细胞中的随机X染色体失活而表现出体细胞嵌合体。那么，PCDH19阳性和阴性神经元的共存是如何扰乱大脑的发育呢？

在EFMR患者中，癫痫会在出生10个月左右开始发作，并在青春期消退[1, 2]。PCDH19表达在发育中的海马和新皮层，这是与认知和记忆等高级功能相关的大脑区域，在出生后突触形成时高度表达。然而，PCDH19在建立神经元回路中的作用仍然知之甚少。为此，研究者们将研究重点放在海马苔藓状纤维通路上，它在记忆和情绪调节中起着中心作用，并与一些癫痫发作有关[5,6]。在这条通路中，兴奋性齿状颗粒细胞接受内嗅皮层的输入信号，并在CA3锥体神经元上形成苔藓状纤维突触。研究者发现，在Pcdh19杂合的雌性小鼠中，突触前小室变小，突触小泡耗尽，但在半合子雄性或者野生型雌性小鼠中则没有此情况发生。然而，Pcdh19杂合的雌性小鼠的CA3突触后区以及苔藓纤维轴突定位和突触密度并没有受到影响。这些数据表明，仅在突触间隙一侧存在PCDH19可能直接影响突触前功能。电生理实验记录的数据表明，Pcdh19杂合的雌性小鼠的神经递质释放效率受到了影响。此外，长时程增强(long-term potentiation, LTP)的诱导在杂合子小鼠的突触中完全消失，LTP是突触前功能和记忆形成的电生理联系。并且，与野生型雌性和半合子雄性小鼠补体，杂合子雌性小鼠表现的行为缺陷，这与苔藓状突触功能障碍是一致的。

这些发现强烈表明PCDH19嵌合突触的存在对突触前发育和海马功能有不利影响。那么这种PCDH19突触错配是如何扰乱苔藓状纤维突触的呢？为了解释EFMR不寻常的遗传模式，人们提出了“细胞干扰”假说，这一假说源于原钙粘附素[1, 4]的亲和性粘附结合特性。该模型假设在嵌合体个体中，PCDH19阳性细胞不能与PCDH19阴性细胞建立粘附性相互作用，从而破坏组织凝聚力。然而，在半合子男性中，由于其他原钙粘附素家族成员的代偿活动，细胞间的粘附得以恢复。

那么，苔藓状纤维突触功能障碍是否也符合细胞干扰这一假说呢？在苔藓状纤维突触形成过程中，经典钙粘蛋白N-钙粘蛋白的亲和性结合促进突触前膜和突触后膜之间的粘附，从而启动突触的形成[7]。N-钙粘附素与PCDH19 [8]形成顺式杂二聚体。因此，研究者们认为PCDH19-N-钙粘素异二聚体不匹配可能是突触功能障碍的基础。检测结果发现，N-钙粘素与PCDH19在80%的野生型雌性小鼠的苔藓状纤维突触中共存，但只有40%的杂合子雌性小鼠的突触中有N-钙粘蛋白与PCDH19共存，而在半合子雄性小鼠的突触中则没有。同时，N-钙粘附素的下游效应物β-catenin在N-钙粘附素细胞域中的募集仅在杂合子雌性小鼠的突触中显著减少。因此，当PCDH19从突触前膜和突触后膜上消失时，或者相反地，当两膜上都存在PCDH19时，N-钙粘蛋白-β-连环蛋白的相互作用仍被保留。进一步的研究表明，提高错配突触中N-钙粘附素的表达水平可以恢复突触前发育和LTP诱导。

图1 嵌合突触。X染色体基因PCDH19的有害突变会EFMR。在雌性小鼠中，一些细胞中PCDH19功能的丧失(PCDH19为阴性)，但另一些细胞中的PCDH19功能完整，会导致不匹配的突触。有人提出，PCDH19阳性神经元和阴性神经元之间的N-钙粘附素的同亲性粘附被禁止，从而阻止了突触前的发育。（图源：V.Altounian/Science）

研究者们提出了一个合理的错配模型来解释苔藓状纤维突触上的PCDH19嵌合体是如何导致EFMR个体认知缺陷的(图1)。在野生型女性中，跨突触信号通过PCDH19-N-钙粘附素异源二聚体在相对应的膜上的亲和性粘附促进β-连环蛋白介导的突触前信号传递和发育。在半合子男性中，当PCDH19完全缺失时，N-钙粘附素的同亲附着性仍然是允许的，从而触发β-catenin信号。然而，在嵌合突触中，PCDH19阳性和阴性细胞之间的N-钙粘附素亲和性被禁止，导致突触前发育和认知障碍。鉴于原钙粘附因子家族的许多成员在大脑发育过程中参与细胞-细胞识别[9]，这就提出了一个问题：原钙粘附因子-N-钙粘蛋白跨黏附是否是确保正确的突触前和突触后结合以启动突触形成的一般机制。

这项研究的一个令人困惑的方面是，Pcdh19杂合雌性小鼠没有表现出癫痫发作。齿状颗粒神经元是兴奋性的，它们的过度活跃导致某些癫痫[5, 10]。矛盾的是，研究发现，PCDH19突触不匹配导致突触活性降低。那么，PCDH19突触错配是否启动或传播导致癫痫发作的活性？在人类中，苔藓状纤维通路嵌入复杂的神经元回路，对颗粒细胞活动和下游神经元网络施加微调的兴奋和抑制调节[5, 10]。因此，PCDH19突触嵌合体可能会对受影响患者的海马和皮层回路产生更深远的影响。PCDH19突触失配是如何在复杂的人类神经回路中表现出来的，这是未来研究的一个重要课题。

参考文献：

1. J. Gecz, P. Q. Thomas, Curr. Opin. Genet. Dev. 65, 169 (2020).

2. K. L. Kolc et al., Mol. Psychiatry 24, 241 (2019).

3. L. M. Dibbens et al., Nat. Genet. 40, 776 (2008).

4. C. Depienne et al., PLOS Genet. 5, e1000381 (2009).

5. J. J. Botterill et al., Cell Rep. 29, 2875 (2019).

6. Y. Senzai, Neurosci. Res. 140, 43 (2019).

7. E. Seong, L. Yuan, J. Arikkath, Cell Adhes. Migr. 9, 202 (2015).

8. M. R. Emond et al., J. Cell Biol. 195, 1115 (2011).

9. S. E. W. Light, J. D. Jontes, Semin. Cell Dev. Biol. 69, 83 (2017).

10. A. D. Bui et al., Science 359, 787 (2018).

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/372/6539/235