Shank3-KO 基因敲除小鼠

Shank3，也称为SH3和多个锚蛋白重复结构域3，是一种在兴奋性突触后致密区富集的突触支架蛋白。Shank3在突触的形成、成熟和维持中发挥着重要作用。该基因的杂合子不足会导致22q13.3缺失综合征，也称为Phelan-McDermid综合征，这是一种以严重表达性语言和言语延迟、肌张力减退、全面发育迟缓和自闭症行为为特征的发育障碍[1]。由于在自闭症谱系障碍（ASD）患者中发现了多个与特定表型组相关的SHANK3突变，因此SHANK3被认为与ASD的发病机制和神经病理学密切相关[1]。SHANK3基因中已鉴定出五个CpG岛，SHANK3的组织特异性表达通过表观遗传方式由DNA甲基化调节[1]。累积的证据表明，几种SHANK3变体在发育中的啮齿动物脑中表达，并且其表达受基因内启动子DNA甲基化的调节[1]。研究还发现，在靠近小鼠脑中CpG岛2的位置有新的SHANK3转录本[1]。Shank3突变小鼠表现出自闭症样行为，包括社交互动受损和刻板行为[1]。本文回顾了最近关于SHANK3在更高脑功能中的作用、SHANK3表达的表观遗传调节和与SHANK3相关的ASD的研究成果，这些成果来自ASD患者的遗传分析、使用发育小鼠脑的分子生物学研究和Shank3突变小鼠的研究[1]。

小鼠中Shank3基因的缺失会导致类似于自闭症的行为，包括自我损伤的重复梳理和社交互动缺陷[2]。细胞、电生理和生化分析揭示了Shank3突变小鼠中纹状体突触和皮质-纹状体回路中的缺陷[2]。这些发现表明，SHANK3在神经元连接的正常发育中起着关键作用，并建立了Shank3基因破坏与小鼠中自闭症样行为产生之间的因果关系[2]。

SHANK3（SH3和多个锚蛋白重复结构域3）是高度保守的突触支架蛋白Shank/ProSAP家族的成员。SHANK3被认为是自闭症发病机制中的一个强候选基因，其缺失会导致突触功能紊乱[3]。研究显示，SHANK3基因的rs9616915单核苷酸多态性（SNP）与自闭症的风险增加相关[3]。该SNP位于外显子6，导致异亮氨酸被苏氨酸取代，直接影响SHANK3基因的剪接调节和蛋白质结构完整性[3]。这项研究的结果表明，SHANK3 rs9616915多态性与自闭症风险增加相关，需要更大规模的研究来证实这些结果[3]。

Shank3在缺血再灌注（I/R）后的神经元损伤中起着保护作用，通过抑制氧化应激和炎症[4]。研究发现，Shank3在I/R后的表达呈现时间依赖性变化，神经元中Shank3的条件性敲除（cko）导致神经元损伤加重[4]。Shank3通过直接结合STIM1并随后通过蛋白酶体介导的STIM1降解来发挥其保护作用[4]。STIM1的下调诱导下游Nrf2 Ser40的磷酸化，随后转移到细胞核，进一步增加抗氧化基因如NQO1和HO-1在HT22细胞中的表达[4]。在体内，研究进一步证实，在Shank3cko小鼠中，Shank3和Stim1的双重敲除可以减轻I/R后的氧化应激和炎症[4]。总之，该研究证明了Shank3与STIM1相互作用，并通过Nrf2途径抑制I/R后的神经元氧化应激和炎症反应[4]。

在斑马鱼中，与自闭症相关的基因shank3对于社交传染是必需的[5]。研究开发了一个斑马鱼模型，该模型可以识别shank3突变如何导致社交传染缺陷的神经认知机制[5]。使用CRISPR-Cas9技术对shank3a基因进行突变，该基因是斑马鱼的旁系同源基因，与人类基因具有更大的同源性和功能保守性[5]。突变体首先与野生型进行比较，然后观察两个冲突状态，即压力和中性状态，以及在没有差异的情况下对他人进行观察和区分[5]。然后，比较了不同基因型之间的全脑神经元可塑性标记物的表达，并评估了它们对特定表型变异的贡献[5]。shank3突变通过注意力的缺陷显著降低了社交传染，导致难以识别情感状态[5]。此外，突变改变了神经元可塑性基因的表达[5]。然而，只有下调的neuroligins在shank3a表达下与合成突触发生的成分相关，这与注意力的变化有关[5]。斑马鱼在确定shank3突变对复合社会行为的作用方面非常有用，但它们可能无法代表人类ASD病理学的全部复杂性[5]。此外，斑马鱼无法代表这些缺陷在人类中向更高阶的移情和亲社会现象的扩展[5]。研究表明，斑马鱼中与ASD相关的基因的旁系同源基因与情感识别的注意力控制以及随后的社交传染之间存在因果关系[5]。

在Shank3突变小鼠中，前扣带回皮层功能障碍是社交缺陷的基础[6]。研究显示，在Shank3基因突变的动物中，前扣带回皮层（ACC）的锥体神经元中的谷氨酸能突触存在结构和功能缺陷[6]。在ACC中条件性地敲除Shank3足以产生兴奋性突触功能障碍和社交互动缺陷[6]。选择性地增强ACC的活性、恢复ACC中SHANK3的表达或全身给予α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体阳性调节剂可以改善Shank3突变小鼠的社交行为[6]。这些发现为ACC在调节小鼠社交行为中的作用提供了直接证据，并表明ACC功能障碍可能参与ASD中的社交障碍[6]。

通过CRISPR/Cas9基因编辑，在比格犬中成功构建了多个Shank3（bShank3）突变系，并进行了几代的繁殖[7]。bShank3突变体表现出明显的社交行为缺陷，包括社交退缩和与人类的社交互动减少，以及在不同实验环境中的焦虑加剧[7]。这些独特的和稳健的行为发现支持了犬类模型在研究ASD的病理生理学和开发治疗方法以及可能的其他精神疾病方面的有效性和价值[7]。

携带与自闭症相关的InsG3680突变的Shank3突变小鼠在断奶前表现出纹状体突触传递缺陷和幼年社交互动受损，这与自闭症症状的早期发作相符[8]。另一方面，携带与精神分裂症相关的R1117X突变的成年小鼠表现出前额叶皮层的严重突触缺陷和社交支配行为[8]。此外，研究发现这两条突变系中Shank3 mRNA的稳定性和SHANK1/2的上调存在差异[8]。这些数据表明，同一基因的不同等位基因可能在小鼠的分子、突触和回路水平上具有不同的表型，这可能为探索人类患者中这些关系提供信息[8]。

Shank3在ASD中起着关键作用，并与心血管疾病（CVD）的发生相关[9]。研究发现，Shank3敲除小鼠上调了胆固醇稳态和脂肪酸代谢基因的表达，但下调了与炎症反应相关的基因的表达[9]。患有自闭症的个体比年龄和性别匹配的没有自闭症的个体具有更高的血脂异常（校正风险比（aHR）：1.39；p < 0.001）、主要不良心脏事件（aHR：2.67；p < 0.001）和中风（aHR：3.55；p < 0.001）的风险[9]。Shank3下调抑制了肿瘤坏死因子-α诱导的脂肪酸合酶表达、血管细胞粘附分子1表达以及涉及p38、JNK和NF-κB的下游信号通路[9]。因此，Shank3可能促进ASD年轻成人中动脉粥样硬化（AS）和CVD的发展[9]。此外，调节Shank3的表达可能通过抑制肿瘤坏死因子-α介导的炎症级联反应来减少与炎症相关的疾病，如AS[9]。

在Shank3B-/-小鼠中，Shank3的缺失导致局部和长程前额叶和前额叶-纹状体功能连接中断[10]。研究发现，前额叶低连接性与短程皮质投射密度减少和灰质体积减少相关[10]。此外，研究还发现，前额叶连接中断与社会沟通缺陷相关，如超声波发声记录所示[10]。这些结果表明，SHANK3在ACC的发育和功能中起着关键作用，并且SHANK3缺乏可能导致智力障碍和社会沟通障碍，这是通过调节更高阶皮质连接的失调来实现的[10]。

综上所述，Shank3是一种重要的突触支架蛋白，在突触的形成、成熟和维持中发挥着关键作用。Shank3的突变与多种神经发育障碍相关，包括22q13.3缺失综合征和自闭症谱系障碍。Shank3的突变导致突触功能障碍、社交互动缺陷和神经认知障碍。Shank3的表达受到表观遗传调控，包括DNA甲基化。Shank3不仅在神经发育中发挥作用，还可能在心血管疾病的发生中发挥作用。因此，Shank3的研究对于理解神经发育障碍的病理生理学机制和开发新的治疗方法具有重要意义。