自闭症蛋白质互作网络中神经突触功能相关模块的关键节点研究

Autism spectrum disorder has high genetic heterogeneity. Hundreds of genes have been found to be involved in autism spectrum disorder. Through what molecular processes do such huge number of autism genes lead to the same kind of phenotypes of autism? In order to look for the molecular mechanisms underlying autism spectrum disorder, I have used 191 autism genes as “seeds” to systematically screen for their interactors in the proteome, and have built an autism-gene-centered protein-protein interaction network. By analyzing this network, I further found that proteins coded by functionally related genes are close to each other in the network, forming network modules, including two cross-linked modules, “the synaptic transmission module” which is enriched for proteins involved in synaptic transmission and “the cellular transportation module” which is enriched for proteins involved in cellular transportation of neurotransmitters. Since synaptic functions may be closely related to the pathogenesis of autism, we plan to further investigate these two network modules. As the key nodes in the modules may also play key roles in the signaling pathways, we plan to study the roles of the genes of these key nodes in the structures and functions of synapses by gene expression inhibition and gene knockout, and, at the same time, to build a molecular model for the pathogenesis of autism by deciphering the molecular pathways involving the proteins of these key nodes.

自闭症有很高的遗传异质性，已经发现了成百的基因参与自闭症的发病。如此数目众多的自闭症基因通过什么分子过程产生同一类表型的疾病呢？为了寻找自闭症发病的分子机理，申请人用191个自闭症基因为“种子”，系统地在蛋白组筛查它们的相互作用蛋白，建立了一个以自闭症基因为中心的蛋白相互作用网络。通过对该网络的分析，申请人发现功能相关的蛋白质聚集形成网络模块，其中包括两个紧密相连的模块：富集了神经突触传递相关蛋白的模块（神经突触传递模块）和富集了神经递质运输相关蛋白的模块（神经元胞内运输模块）。以往的研究显示神经突触传递功能与自闭症发病密切相关，因此，本课题拟对以上两个模块进行深入研究。模块中的关键节点可能在细胞信号通路中起关键作用，我们计划对关键节点的基因进行表达抑制或敲除，以研究这些节点在神经突触结构和功能中的作用，并分析关键节点蛋白所参的分子信号通路，以建立自闭症发病机理的分子模型。

自闭症是一种神经系统发育疾病，主要临床症状表现为社交障碍、行为刻板及兴趣受限等，伴随智力异常和癫痫发作，病因尚不清楚，缺乏特效治疗。自闭症是多基因复杂疾病，遗传异质性高，目前已发现超过1000个自闭症候选基因。这些基因在分子水平形成复杂的网络。本项目针对自闭症蛋白相互作用网络中的“神经突触传导和运输模块”中的关键基因GABRB1、GABRA4、 HTR3A、 DOC2A、TAOK2和CACNA1G的功能在小鼠和在斑马鱼中进行研究。主要研究内容包括：构建了Gabrb1、Gabra4及Htr3a敲除小鼠模型，基因敲除小鼠自闭症行为学的筛查；基因敲除小鼠模型的神经突触细胞形态学和电生理；基因敲除小鼠海马组织突触神经小体的蛋白质组学研究以研究突触机构和功能的改变；海马组织的转录组学研究和分子网络分析，以阐明自闭症各种表行下的分子通路的改变；自闭症斑马鱼模型的构建。本项目在Gabrb1、Gabra4及Htr3a敲除小鼠中已获得重要的研究结果。行为学实验结果显示Gabrb1-/-、Gabra4-/-和Htr3a-/-小鼠均出现自闭症样行为、智力改变和抗癫痫表型。Gabrb1-/-、Gabra4-/-和Htr3a-/-小鼠海马组织的转录组学研究中，我们发现这三个敲除小鼠模型中的差异表达基因分别富集了自闭症候选基因、癫痫候选基因及学习记忆相关基因，说明脑组织基因活动与自闭症三大表型域相关。结合蛋白质相互作用数据，我们对自闭症候选基因、癫痫候选基因及学习记忆相关基因子网络进行通路富集分析，发现这些表型相应的分子信号通路，而NMDAR系统参与了三大表型域的共同分子通路。我们也建立了doc2a、taok2和cacna1g敲除斑马鱼模型，为今后自闭症药物筛选奠定基础。总之，本项目研究结果为理解自闭症发病的分子机制和开发新的治疗手段提供基础。