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颠覆认知!电压门控钠离子通道缺失竟导致神经元兴奋性增加
2021-8-4 10:21
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北京时间2021年8月3日晚23时,美国普渡大学杨洋教授团队Cell Reports上在线发表论文——“Severe deficiency of the voltage-gated sodium channel NaV1.2 elevates neuronal excitability in adult mice”的学术论文,报道了该团队关于NaV1.2通道蛋白的严重缺失对神经元兴奋性影响的研究成果。


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在中枢神经系统中,电压门控钠离子通道负责神经元动作电位(action potential)的形成和传导,是神经元不可或缺的膜蛋白。现有教科书理论认为钠离子通道的表达或功能的增强会降低动作电位的阈值,进而增强神经元放电能力;相反,钠离子通道的缺失会升高动作电位阈值从而降低神经元兴奋性。


SCN2A基因负责编码NaV1.2通道蛋白。NaV1.2的激活突变(gain-of-function)与癫痫发生密切相关;NaV1.2的缺失(loss-of-functionprotein-truncating)则是导致单基因自闭症的最重要遗传因素之一。为了理解由NaV1.2缺失导致的病理生理现象,来自美国、法国、日本和韩国的多个课题组利用经典基因敲除手段制作Scn2a缺失小鼠模型,并开展研究。在围产期,纯合子Scn2a−/−敲除的小鼠全部死亡;而杂合子Scn2a+/−小鼠(~50%野生型小鼠的NaV1.2表达量)能够活到成年,但杂合子小鼠不能表现出明显的异常行为学,因此不能充分模拟临床自闭症表型。事实上,利用杂合子敲除使蛋白水平下降到大约50%水平时,小鼠不能再现人类疾病表型的这一现象并不罕见。或许更严重的蛋白敲低是触发异常表型的必要因素。


由于对NaV1.2100%敲除是致死的,来自普渡大学的杨洋教授团队创新性地引进了新的NaV1.2缺失模型。该模型利用了基因陷阱的策略(gene trap strategy),使纯合子NaV1.2转基因小鼠可以成活到成年,同时NaV1.2表达量下降到野生型的正常小鼠大约四分之一水平并且表现出了典型的异常行为学特征[1]


临床研究发现,伴随NaV1.2缺失的自闭症患者当中有20~30%会进一步患有迟发性癫痫(late-onset)。为什么NaV1.2缺陷,原本预期会降低神经元兴奋性,却最终促进癫痫发作?这个未解之谜长期困扰着研究人员。

 

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图1 成年NaV1.2严重缺失小鼠的纹状体神经元放电能力增强。(图片引自:Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495)


在最新这篇文章中,第一作者张精亮博士等利用脑片电生理技术,通过记录(与NaV1.2介导癫痫的相关脑区的)神经电信号,发现了成年NaV1.2严重缺失小鼠的纹状体神经元(MSN)放电能力明显增强,同时产生完整动作电位所需的最小刺激电流(rheobase)更小(图1)。通过进一步观察动作电位的形态,发现动作电位阈值显著升高。经典理论认为动作电位阈值升高会抑制动作电位的产生,但为什么动作电位阈值升高的神经元会过度兴奋呢?现有理论似乎并不能解释这一异常发现。

 

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图2 激活电压门控钾离子通道可以恢复增强的放电能力。(图片引自:Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495)


为了理解这一矛盾现象,张博士等利用RNA-seq测序技术,研究了小鼠的基因转录表达情况(图2)。结果显示,伴随着NaV1.2表达的严重不足,多种钾离子通道也都明显降低。这个结论得到了qPCR实验的进一步验证尽管如此,离子通道表达水平的改变也并不意味着其功能的必然改变。由于NaV1.2严重缺乏小鼠的纹状体神经元呈现出明显降低的钾离子电流,因此钾通道的功能异常也被进一步确认。而进一步研究表明,利用电压门控钾离子通道的开放剂增加钾离子电流后,神经元异常增加的兴奋性得到明显改善。

 

通常,钾离子通道与钠离子通道共同维持神经元的正常放电功能。在接近稳态的情况下,钾离子通道适当的代偿性减少可能抵消NaV1.2不足对动作电位产生的抑制作用,从而维持神经元的兴奋性;但在NaV1.2严重缺失的情况下,钾离子通道可能产生了过度代偿,从而打破平衡,导致了神经元兴奋性的病理性增强。张博士等研究人员的发现在神经生理学上有重要意义,突破了现有对钠离子通道和神经元兴奋性的认知,有望改写教材。

 

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图3 增强的放电能力可以通过恢复NaV1.2的表达而逆转。(图片引自:Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495)

 

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增强的放电能力属于神经元自身的性质,不依赖于神经环路。(图片引自:Zhang, et al., 2021, Cell Reports 36, 109495)

 

在神经病理学的层面上,科学界广泛认为对于那些基因突变导致的神经发育性疾病,在患者成年后很难进行有效治疗。张博士等通过在成年小鼠上部分恢复NaV1.2的表达(图3-4),或者激活钾通道(图2),发现神经元兴奋性能恢复到接近正常水平,提示即便是在成年阶段,通过基因或者药物手段干预,仍有希望缓解病症。


综上,本文研究结果或能为进一步探究人类NaV1.2缺失导致自闭症或癫痫的发生提供了一个潜在的细胞及分子机制,从而引导精准医学药物及干预手段的开发。


普渡大学杨洋课题组专注研究与钠离子通道相关的癫痫、自闭症以及神经痛(利用包括诱导人源干细胞、类脑组织,转基因小鼠等多种模型),致力于推进药物基因组在神经系统疾病上的应用。如对相关研究感兴趣,欢迎通过email(yangyang@purdue.edu)联系!


相关论文信息:

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


参考文献

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.



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