Npas1-KO 基因敲除小鼠

NPAS1，也称为神经元PAS结构域蛋白1，是一种在哺乳动物中枢神经系统中选择性表达的转录因子。它属于基本的螺旋-环-螺旋-PAS（bHLH-PAS）家族，这是一个在细胞内信号传导和基因表达调控中起重要作用的蛋白质家族。NPAS1与另一个转录因子ARNT形成异源二聚体，共同参与DNA结合和基因调控。NPAS1在多种生物学过程中发挥重要作用，包括神经发生、神经分化、突触可塑性和神经递质释放。

NPAS1的表达模式表明其在神经系统发育和功能中具有重要作用。在胚胎发育过程中，NPAS1 mRNA最早在胚胎第15天被检测到，并在脑的早期器官形成后不久就开始表达。在出生后的发育过程中，NPAS1 mRNA在脑组织中广泛分布。在成年小鼠中，NPAS1 mRNA主要在脑和脊髓组织中表达。这些结果表明，NPAS1在神经系统的发育和功能中起着重要作用。

NPAS1的基因敲除小鼠表现出多种神经行为异常，包括减少的惊吓反应、受损的社会识别、刻板行为和增加的运动活动。免疫组化染色结果显示，NPAS1和NPAS3蛋白在抑制性中间神经元中表达，而这些神经元的存活和解剖分布并未因转录因子的缺失而受到影响。成年小鼠脑组织中的NPAS3和NPAS1/NPAS3缺陷小鼠表现出reelin蛋白表达的显著降低，reelin是一种大型的分泌蛋白，其表达已在精神分裂症患者的死后脑组织中报道有所减弱。这些观察结果提示，由NPAS1和NPAS3转录因子在抑制性中间神经元中控制的调节程序可能与精神病的发病机制有关[4]。

NPAS1的另一个重要功能是在胚胎肺中的分支形态发生。在发育中的小鼠肺中，NPAS1的表达在胚胎第10.5-11.5天达到峰值，然后下降到低水平。NPAS1的免疫染色发生在肺泡周围间充质细胞的细胞核中，尤其是在气管分叉处。Arnt，Tango的哺乳动物同源物（Tango是Trl的异源二聚化伴侣，Trl是气管发生的调节因子），也在发育中的肺中表达，但其水平保持不变。NPAS1或Arnt反义ODN抑制肺分支形态发生，导致肌成纤维细胞发育改变和肺神经内分泌细胞增加。在微阵列分析中，我们确定了50多个由NPAS1反义ODN下调的已知基因，包括多个调节细胞迁移和细胞分化的基因。QRT-PCR证实了神经生成基因RBP-Jk和Tle，以及三个与肌肉发育相关的基因：β-ig-h3、claudin-11和心肌生成素的表达显著降低。NPAS1可以调节肌成纤维细胞的分布、分支形态发生和肺神经内分泌细胞的分化[1]。

NPAS1在调节多巴胺能神经元中的酪氨酸羟化酶（TH）水平方面也起着重要作用。TH是多巴胺合成的限速酶，多巴胺是腹侧中脑多巴胺能神经元中的主要神经递质。NPAS1在多巴胺能MN9D细胞分化过程中上调。在MN9D分化过程中，TH水平相应下降。过表达和siRNA实验表明，NPAS1与ARNT协同负调节TH的表达，这种调节是通过NPAS1在TH启动子上的直接结合介导的。表达研究还证实了小鼠发育过程中腹侧中脑TH水平的下降与NPAS1水平的升高相一致。这些结果表明，NPAS1在发育过程中调节腹侧中脑多巴胺能神经元中TH的水平方面发挥着新颖而重要的作用[2]。

NPAS1和NPAS3是精神疾病风险基因的主要调节因子。NPAS3已被确立为精神疾病的一个强有力的遗传风险因子。在缺乏NPAS3的小鼠中，出生后海马神经发生受损，而在缺乏NPAS1的小鼠中，出生后海马神经发生增强。这些和其他发现表明NPAS蛋白在精神疾病功能中起着关键作用，从而引起了对其控制的分子通路的兴趣。使用RNA测序和染色质免疫沉淀测序结合的方法，我们确定了NPAS1和NPAS3在野生型、Npas1-/-和Npas3-/-小鼠海马中直接调控的基因。通过与人类遗传和表达数据的计算整合，揭示了NPAS调控基因和通路与疾病的相关性。通过Western印迹在蛋白质水平上证实了特定的发现。这是首次在体内对NPAS1和NPAS3调控的基因进行转录组规模的调查。这些转录因子控制一组基因，这些基因本身也是精神疾病功能的主要调节因子。具体来说，Fmr1（脆性X综合征）、Ube3a（安格尔曼综合征）和神经生成调节因子Notch都是由NPAS3转录调控的。这些通路的失调在蛋白质水平上得到证实。此外，NPAS1/3靶点显示出增加的精神分裂症和智力障碍的人类遗传负担。这些数据提供了一个清晰的、无偏见的NPAS1和NPAS3调控基因的完整谱系视图，并表明这些转录因子是精神疾病功能的主调节因子。这些发现揭示了NPAS1/3突变的分子病理生理学，并为诊断上不同的精神疾病背后的共享、组合分子通路提供了一个突出的例子[3]。

综上所述，NPAS1是一种重要的转录因子，在哺乳动物中枢神经系统中选择性表达。它在多种生物学过程中发挥重要作用，包括神经发生、神经分化、突触可塑性和神经递质释放。NPAS1在神经系统发育和功能中的重要作用在基因敲除小鼠的行为和神经化学异常中得到证实。此外，NPAS1在胚胎肺中的分支形态发生和调节多巴胺能神经元中的TH水平方面也发挥着重要作用。NPAS1和NPAS3是精神疾病风险基因的主要调节因子，它们的失调可能与精神病的发病机制有关。因此，NPAS1的研究有助于深入理解神经系统的发育和功能，为精神疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。