NPAS3基因在精神分裂癥中的研究進展

徐志忠 章家新

NPAS3基因在精神分裂癥中的研究進展

徐志忠 章家新

NPAS3是一種主要存在于大腦中的轉(zhuǎn)錄因子，屬于堿性螺旋-環(huán)-螺旋超家族。NPAS3基因位于14號染色體(14q13)，在精神分裂癥患者中發(fā)現(xiàn)，NPAS3基因在染色體9與14間[t(9;14)(q34;q13)]具有平衡易位現(xiàn)象；NPAS3基因敲除小鼠具有多動、步態(tài)有缺陷、前脈沖抑制功能減弱等行為活動，這與精神分裂癥癥狀相類似；NPAS3基因有可能通過FGF信號通路調(diào)節(jié)海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生，神經(jīng)發(fā)生在精神分裂癥的發(fā)生發(fā)展中具有重要的作用；顯性負效、單倍劑量不足效應、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等有可能是調(diào)節(jié)NPAS3蛋白表達水平的不同機制。

NPAS3基因；平衡易位；神經(jīng)發(fā)生；精神分裂癥

精神分裂癥(schizophrenia) 是一種嚴重的精神疾病，給患者及其家庭帶來很嚴重的經(jīng)濟及精神負擔，因此，有關精神分裂癥病因、治療方面的研究是這一領域最迫切、最關鍵的問題。研究表明，除社會環(huán)境因素外，家族遺傳因素在精神分裂癥的發(fā)病過程中也起著很重要的作用，遺傳度為60%～80%[1]。近年來，隨著全基因組關聯(lián)分析的逐步開展，已報道了一系列的精神分裂癥易感基因，這其中包括神經(jīng)元PAS域蛋白3 (Neuronal PAS domain protein 3,NPAS3)基因，目前對于 NPAS3基因功能的研究取得了重要進展，發(fā)現(xiàn)NPAS3基因與精神分裂癥的發(fā)生發(fā)展密切相關。

1 NPAS3基因的結(jié)構與產(chǎn)物

1.1 NPAS3基因的結(jié)構 NPAS3基因位于14號染色體(14q13)，全長約862kb，包含12個外顯子，這一染色體區(qū)域可能是精神分裂癥易感位點，NPAS3基因主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)表達[2]。

1.2 NPAS3基因的編碼產(chǎn)物 NPAS3基因編碼具有DNA結(jié)合區(qū)、二聚體區(qū)、反式激活區(qū)等3個結(jié)構域的蛋白，NPAS3蛋白是一種主要存在于大腦中的轉(zhuǎn)錄因子，屬于堿性螺旋-環(huán)-螺旋 (basic helix-loop-helix, bHLH)超家族，具有多種生物學功能，涉及細胞分化的調(diào)控、生物周期節(jié)律、神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育及功能調(diào)節(jié)等[3-4]。

2 NPAS3基因與精神分裂癥的相關性

2.1 NPAS3基因的平衡易位、突變現(xiàn)象 研究發(fā)現(xiàn)，在一個具有精神分裂癥以及精神遲滯的蘇格蘭家族中，NPAS3基因在染色體9與14間[t(9;14)(q34;q13)]具有平衡易位[3]。研究人員利用EB病毒轉(zhuǎn)化的類淋巴母細胞系來研究這種易位現(xiàn)象，Pickard等利用熒光原位雜交技術檢測染色體中期分裂相、Kamnasaran等利用染色體特異PCR確定斷裂點的位置，研究共同發(fā)現(xiàn)在9號染色體的斷點位置沒有特異的基因，但是在14號染色體上發(fā)現(xiàn)了斷裂的NPAS3基因，此外，在NPAS3基因的5’端還有部分片段缺失[3,5]。

此外，NPAS3基因具有多個突變位點，已有研究報道在6號和12號外顯子具有多個突變位點，Macintyre等[2]通過對比166例精神分裂癥患者與正常人發(fā)現(xiàn)，3個SNP位點(rs12434716、rs10141940、rs10142034)與精神分裂癥顯著相關。Yu等[6]研究了利用PCR、毛細管電泳等方法發(fā)現(xiàn)在NPAS3基因8號外顯子910bp處存在突變(G-A)，導致304位的纈氨酸突變?yōu)楫惲涟彼?，這一突變在精神分裂癥患者中發(fā)現(xiàn)，且具有相關性。

2.2 NPAS3基因敲除小鼠的行為變化 研究人員利用NPAS3基因敲除小鼠模型來研究NPAS3基因與精神分裂癥的關聯(lián)，Erbel-Sieler等首先利用驚反射的前脈沖抑制來觀察NPAS3基因敲除小鼠對外界強干擾刺激的反應。驚反射是人與動物對外界威脅刺激的一種迅速反應，對適應環(huán)境有重要意義，但也對認知和行為活動有干擾作用，前脈沖抑制是出現(xiàn)在強的驚反射刺激之前一定時間內(nèi)的弱感覺刺激，對驚反射活動的產(chǎn)生有抑制作用。實驗結(jié)果顯示，NPAS3-/-小鼠在受到弱刺激后，驚反射活動加強，這說明小鼠的前脈沖抑制受到消弱，這種現(xiàn)象與患有精神分裂癥的病人相類似，可能是腦干的神經(jīng)回路出現(xiàn)功能性異常[7]。

Brunskill等利用曠場實驗觀察研究小鼠進入開闊環(huán)境后的各種行為活動、神經(jīng)精神變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)NPAS3基因敲除小鼠與野生型小鼠相類似，出于對新開闊環(huán)境的恐懼而主要在周邊區(qū)域活動，在中央?yún)^(qū)域活動較少，但是NPAS3基因敲除小鼠的運動機能更加亢進，活動能力相對較強。過度興奮、運動機能亢進都是很明顯的精神分裂癥陽性癥狀[8]。在高架十字環(huán)形迷宮實驗中，NPAS3基因敲除小鼠產(chǎn)生的焦慮性相對于在空曠區(qū)域升高了近50%，野生型則沒有明顯變化。同時，NPAS3基因敲除小鼠的認知記憶能力很明顯的降低，對進入其生活環(huán)境的新物體的識別時間明顯減少。在參照學習實驗中，在輕微的電刺激之前先給與小鼠聽覺刺激，野生型小鼠可以在聽覺刺激后保持安靜的狀態(tài)以等待電刺激，而NPAS3基因敲除小鼠則在聽覺刺激之后便處于一個運動機能亢進的狀態(tài)。除了這些特效實驗以外，對于NPAS3基因敲除小鼠生活習性的觀察發(fā)現(xiàn)，它在行為和神經(jīng)發(fā)育方面都有不同程度的損傷。此外，在生理結(jié)構方面，NPAS3基因敲除小鼠的生長受阻、腦發(fā)育異常，包括前海馬體變小、胼胝體發(fā)育不全以及腦室增大，其行為異常還包括多動、步態(tài)有缺陷、前脈沖抑制功能減弱等，這些都與精神分裂癥癥狀相類似，另外，突變型小鼠在胼胝體和小腦處存在明顯的缺陷，這可能影響到小鼠的協(xié)調(diào)性、運動性機能[8-9]。

2.3 NPAS3基因與海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生 大腦海馬區(qū)域的生理結(jié)構、功能與精神分裂癥的密切相關，NPAS3基因突變小鼠的海馬區(qū)結(jié)構最有可能發(fā)生變化，有研究證實NPAS3基因可以調(diào)控成年海馬區(qū)神經(jīng)元的發(fā)生[10]。NPAS3基因功能的缺失所導致的成年海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生的停滯，在胚胎發(fā)生階段、發(fā)育階段還是成年階段都有可能發(fā)生，但是哪一階段最為關鍵還不清楚。雖然如此，在精神分裂癥家族中所發(fā)現(xiàn)的NPAS3基因易位以及NPAS3基因敲除小鼠中，海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生都有受到明顯的抑制，而海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生的缺失可能影響到海馬區(qū)內(nèi)與精神分裂癥相關的生理功能，相關證據(jù)顯示，神經(jīng)發(fā)生在精神分裂癥的發(fā)生發(fā)展中具有重要的作用。Flagstad等干擾妊娠后期大鼠的神經(jīng)發(fā)生，結(jié)果大鼠表現(xiàn)出類似精神分裂癥的陽性和陰性癥狀[11]。此外，治療精神分裂癥的精神抑制類藥物以及電休克治療都可以使海馬區(qū)內(nèi)的神經(jīng)發(fā)生增加，其他精神科藥物，比如抗抑郁藥，也有相類似的功能[12-13]。

NPAS3基因敲除小鼠中，海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生的停滯與顆粒狀細胞厚度的減少明顯相關。在整個發(fā)育和成年階段，NPAS3所介導的神經(jīng)元的發(fā)生對齒狀回的形成和維持起著關鍵的調(diào)控作用，而齒狀回位于海馬區(qū)，生理結(jié)構功能與精神分裂癥相關，NPAS3基因遺傳缺陷使得精神分裂癥患者對于海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生的缺少較正常人而言更加敏感[14-15]。成年海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生可以整合發(fā)育和成長階段環(huán)境中新的刺激因子，使齒狀回發(fā)生改變，從而能夠適應外界環(huán)境中新的刺激。Reif等研究精神分裂癥患者的腦組織時發(fā)現(xiàn)，海馬區(qū)神經(jīng)干細胞的增殖明顯下降，神經(jīng)發(fā)生明顯減少，患者海馬區(qū)的體積以及神經(jīng)元的活性都有不同程度的改變[16]，由此可見，神經(jīng)發(fā)生對于維持海馬區(qū)正常生理功能的重要性。

2.4 NPAS3基因參與神經(jīng)發(fā)生的機制 NPAS3基因可以調(diào)控成年海馬區(qū)神經(jīng)元的發(fā)生，這一功能最早是通過DNA微陣列和實時定量PCR研究神經(jīng)母細胞瘤時發(fā)現(xiàn)的，NPAS3蛋白/芳香烴受體核轉(zhuǎn)運蛋白(ARNT)復合體可以抑制Sprouty4 mRNA的表達，通過對NPAS3-/-和野生型小鼠腦組織研究發(fā)現(xiàn)，隨著NPAS3蛋白表達的減少，Sprouty4 mRNA的表達水平明顯上升[10]。哺乳動物細胞中，Sprouty蛋白有四種亞型，抑制受體酪氨酸激酶信號通路下游的成纖維細胞生長因子[17-18]，其中，只有Sprouty4的表達與NPAS3蛋白水平相關。哺乳動物中，由于NPAS3/ARNT復合體可以影響Sprouty4 mRNA的表達水平，Sprouty4蛋白又抑制FGF信號通路，所以有必要探討NPAS3與FGF信號通路的相互聯(lián)系。

在模型生物黑腹果蠅中與NPAS3同源的蛋白Trachealess (Trh)，控制著幼蟲支氣管系統(tǒng)的形態(tài)發(fā)生，這一過程通過直接調(diào)控Breathless，果蠅中的成纖維細胞生長因子受體來實現(xiàn)[19]。因此，可以設想在哺乳動物中，NPAS3基因可能會具有類似的調(diào)控功能。Duncan等用原位雜交技術發(fā)現(xiàn)在NPAS3-/-小鼠齒狀回和海馬區(qū)的CA1區(qū)域中，F(xiàn)GFR1 mRNA表達水平明顯降低[20]。研究發(fā)現(xiàn)FGFR1和其配體FGF-2在海馬齒狀回顆粒下層神經(jīng)元發(fā)生過程中具有重要的作用[21]。NPAS3-/-小鼠中，通過摻入胸腺嘧啶的類似物BrdUrd，再利用免疫組化觀察海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生處于停滯狀態(tài)。NPAS3-/-小鼠中，雖然因為缺少FGF的刺激，海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生停滯，但是經(jīng)過電休克刺激，小鼠海馬區(qū)的神經(jīng)發(fā)生依然可以進行，這說明NPAS3-/-小鼠齒狀回顆粒下層并不缺少神經(jīng)前體細胞，而是由于NPAS3基因缺失才導致神經(jīng)發(fā)生停滯[10]。

研究證明，海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生的缺失影響機體對環(huán)境中刺激因素的適應能力，從而使精神分裂癥患者不能快速有效的對外界環(huán)境的刺激做出正確的反應，但是精神分裂癥患者中NPAS3基因與海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生的相互聯(lián)系還需進一步研究[22]。

2.5 調(diào)控NPAS3蛋白表達的機制 NPAS3基因易位與精神分裂癥致病的機制相關聯(lián)，基因平衡易位使得NPAS3蛋白變成截短蛋白，只具有DNA結(jié)合區(qū)和二聚體區(qū)，不具備反式激活區(qū)，NPAS3截短蛋白有可能通過顯性負性效應(dominant negative)影響NPAS3蛋白的功能，進而影響NPAS3蛋白所參與的一系列的生物調(diào)控功能[23]。

但是，與此不同的是，真核細胞中廣泛存在一種高度保守的有效的監(jiān)督機制，即無義介導的mRNA降解(nonsensemediated mRNA decay,NMD)，能夠選擇性降解含有翻譯提前終止密碼子的mRNA，從而防止對機體有害的截短蛋白的產(chǎn)生，NPAS3基因易位產(chǎn)生的mRNA也有可能通過NMD機制被降解[24]。在攜帶有NPAS3易位基因的患者體內(nèi)并沒有檢測到截短蛋白，和此相類似的是，在小鼠模型129S6/SvEv中，NPAS3基因具有無義突變位點，理論上同樣會產(chǎn)生NPAS3截短蛋白，但在小鼠體內(nèi)也檢測不到，這就說明NPAS3基因易位與精神分裂癥相關的致病機制也有可能是單倍劑量不足效應，患者體內(nèi)只有正常人水平50%的NPAS3蛋白不足以維持細胞正常的生理功能[25-26]。此外，Jenny Wong等檢測了134例腦組織中NPAS3基因的表達情況，其中37例為精神分裂癥患者的腦組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NPAS3基因的mRNA表達水平?jīng)]有變化，但是NPAS3蛋白表達水平卻下降，這可能涉及到轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，實驗結(jié)果顯示miRNA (miR-17) 結(jié)合到NPAS3 3’端的非翻譯區(qū)調(diào)控NPAS3蛋白的合成[27]，這說明轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也可能是調(diào)節(jié)NPAS3蛋白表達水平的一種機制。

3 NPAS3基因的研究前景

目前對于NPAS3基因在精神分裂癥中的功能研究已經(jīng)取得了一定的成果，動物模型試驗等越來越多的證據(jù)表明，NPAS3基因與海馬區(qū)神經(jīng)發(fā)生密切相關，此外，NPAS3基因具有的平衡易位、突變等現(xiàn)象，也與精神分裂癥具有相關性。

雖然有證據(jù)表明NPAS3是精神分裂癥易感基因，但是NPAS3基因易位只在一個單一且較小的家族中發(fā)現(xiàn)，而且在NAPS3基因所在的14號染色體上，尚沒有發(fā)現(xiàn)其他與精神分裂癥相關的基因，因此，有關遺傳學方面的研究，諸如連鎖不平衡、單核苷酸多態(tài)性等與精神分裂癥的關系，仍需要進一步研究。探討這些突變位點與大腦結(jié)構功能的聯(lián)系，以及建立具有這些突變位點的動物模型，可以讓我們更好的理解精神分裂癥的發(fā)病機制，為精神分裂癥的治療提供新的方向。

NPAS3基因可能通過調(diào)控靶基因的表達而發(fā)揮它的功能，目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了NPAS3調(diào)控的部分靶基因，我們就可以通過這些靶基因所參與的信號轉(zhuǎn)導通路、調(diào)控機制來研究NPAS3基因的具體功能，觀察NPAS3基因失活對這些信號通路、生物學功能的影響，從而確定NPAS3基因在精神分裂癥發(fā)病過程中的作用，這有可能為精神分裂癥的診斷、治療提供分子生物學基礎?？傊?，精神疾病的致病機制是復雜的，NPAS3基因的詳細作用機制，還有待進一步研究。

[1] Os J,Kapur S.Schizophrenia[J].Lancet,2009,374：635-645.

[2] Macintyre G,Alford T,Xiong L,et al.Association of NPAS3 exonic variation with schizophrenia[J].Schizophr Res,2010,120：143-149.

[3] Kamnasaran D,Muir WJ,Ferguson-Smith MA,et al.Disruption of the neuronal PAS3 gene in a family affected with schizophrenia[J].J Med Genet,2003,40：325-332.

[4] Gilles-Gonzalez MA,Gonzalez G.Heme-based sensors：defining characteristics,recent developments,and regulatory hypotheses[J].J Inorg Biochem,2005,99：1-22.

[5] Pickard BS,Malloy MP,Porteous DJ,et al.Disruption of a brain transcription factor,NPAS3,is associated with schizophrenia and learning disability[J].Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet,2005,136：26-32.

[6] Yu L,Arbez N,Nucifora LG,et al.A mutation in NPAS3 segregates with mental illness in a small family[J].Mol Psychiatry,2014,14：7-13.

[7] Erbel-Sieler C,Dudley C,Zhou Y,et al.Behavioral and regulatory abnormalities in mice deficient in the NPAS1 and NPAS3 transcription factors[J].Proc Natl Acad Sci USA,2004,101：13648-13653.

[8] Brunskill EW,Ehrman LA,Williams MT,et al.Abnormal neurodevelopment,neurosignaling and behaviour in Npas3 deficient mice[J]. Eur J Neurosci,2005,22：1265-1276.

[9] Pickard BS,Pieper AA,Porteous DJ,et al.The NPAS3 gene--emerging evidence for a role in psychiatric illness[J].Ann Med,2006,38：439-448.

[10] Pieper AA,Wu X,Han TW,et al.The neuronal PAS domain protein 3 transcription factor controls FGF-mediated adult hippocampal neurogenesis in mice[J].Proc Natl Acad Sci USA,2005,102：14052-14057.

[11] Flagstad P,Glenthoj BY,Didriksen M.Cognitive deficits caused by late gestational disruption of neurogenesis in rats：a preclinical model of schizophrenia[J].Neuropsychopharmacology,2005,30：250-260.

[12] Madsen TM,Yeh DD,Valentine GW,et al.Electroconvulsive seizure treatment increases cell proliferation in rat frontal cortex[J].Neuropsycho pharmacology,2005,30：27-34.

[13] Wang HD,Dunnavant FD,Jarman T,et al.Effects of antipsychotic drugs on neurogenesis in the forebrain of the adult rat[J].Neuropsychopharmacol ogy,2004,29：1230-1238.

[14] Brown J,Cooper-Kuhn CM,Kempermann G,et al.Enriched environment and physical activity stimulate hippocampal but not olfactory bulb neurogenesis[J].Eur J Neurosci,2003,17：2042-2046.

[15] Weiss AP,Schacter DL,Goff DC,et al.Impaired hippocampal recruitment during normal modulation of memory performance in schizophrenia[J].Biol Psychiatry,2003,53：48-55.

[16] Reif A,Fritzen S,Finger M,et al.Neural stem cell proliferation is decreased in schizophrenia,but not in depression[J].Mol Psychiatry,2006,11：514-522.

[17] Sivak JM,Petersen LF,Amaya E.FGF signal interpretation is directed by Sprouty and Spred proteins during mesoderm formation[J].Dev Cell,2005,8：689-701.

[18] Mason JM,Morrison DJ,Basson MA,et al.Sprouty proteins：multifaceted negative-feedback regulators of receptor tyrosine kinase signaling[J]. Trends Cell Biol,2006,16：45-54.

[19] Klambt C,Glazer L,Shilo BZ.Breathless,a Drosophila FGF receptor homolog,is essential for migration of tracheal and specific midline glial cells[J].Genes Dev,1992,6：1668-1678.

[20] Duncan GE,Moy SS,Perez A,et al.Deficits in sensorimotor gating and tests of social behavior in a genetic model of reduced NMDA receptor function[J].Behav Brain Res,2004,153：507-519.

[21] Yoshimura S,Teramoto T,Whalen MJ,et al.FGF-2 regulates neurogenesis and degeneration in the dentate gyrus after traumatic brain injury in mice[J].Proc Natl Acad Sci USA,2003,112：1202-1210.

[22] Mirescu C,Peters JD,Gould E.Early life experience alters response of adult neurogenesis to stress[J].Nat Neurosci,2004,7：841-846.

[23] Pickard BS,Christoforou A,Thomson PA,et al.Interacting haplotypes at the NPAS3 locus alter risk of schizophrenia and bipolar disorder[J].Mol Psychiatry,2009,14：874-884.

[24] Alonso CR.Nonsense-mediated RNA decay：a molecular system micromanaging individual gene activities and suppressing genomic noise[J]. Bioessays,2005,27：463-466.

[25] Millar JK,Pickard BS,Mackie S,et al.DISC1 and PDE4B are interacting genetic factors in schizophrenia that regulate cAMP signaling[J]. Science,2005,310：1187-1191.

[26] Koike H,Arguello PA,Kvajo M,et al.Disc1 is mutated in the 129S6/ SvEv strain and modulates working memory in mice[J].Proc Natl Acad Sci USA,2006,103：3693-3697.

[27] Jenny W,Carlotta ED,Natalie JB,et al.Expression of NPAS3 in the Human Cortex and Evidence of Its Posttranscriptional Regulation by miR-17 During Development,With Implications for Schizophrenia[J].Schizophr Bull,2013,39：396-406.

NPAS3 is a member of the basic helix-loop-helix family of transcription factors expressed in the brain. The gene is located at 14q13 and a reciprocal balanced translocation between chromosomes 9 and 14 was identified in schizophrenia. A number of behavioural abnormalities associated with schizophrenia were identi?ed in Npas3-?-mice including locomotor hyperactivity, subtle gait defects, impairment of prepulse inhibition of acoustic startle. Correlative evidence suggests that neurogenesis may play an important role in schizophrenia, NPAS3 gene may regulates the hippocampal neurogenesis through the FGF signal pathway. The transcription regulation mechanisms of NPAS3 protein expression level might be involved dominant negative, haploinsufficiency and posttranscriptional regulation.

NPAS3 gene; Balanced translocation; Neurogenesis; Schizophrenia

10.3969/j.issn.1009-4393.2014.27.002

福建省自然科學基金項目（2012D048）

福建 361012 廈門市仙岳醫(yī)院（徐志忠 章家新）