PI3K通路调节tau外显子10可变剪接与自闭症谱系障碍

Autism spectrum disorders (ASD) is the most common cause of children mental disability in China. However, few medical treatments have shown substantial benefits for ASD children. Single-gene mutations in PI3K signaling pathway have been identified in about 14% of ASD patients. Overactivation of PI3K pathway leads to defects in neuron morphology and synaptic plasticity. But the precise molecular mechanisms implicated remain unknown. Tau is a family of major neuronal microtubule associated proteins. Alternative splicing of tau exon 10 produces two groups of tau protein, 3R-tau and 4R-tau. Proper ratio of 3R-tau/4R-tau is strictly controlled during neural development to regulate microtubule dynamics and maintain neuronal stability and plasticity. We propose to investigate alternative splicing of tau exon 10 in wild-type and PTEN mutant mice during neural development, and define the function of PI3K components in regulating alternative splicing factor (ASF)-mediated tau splicing. Correcting 3R-tau/4R-tau ratio in neuronal development by targeting the ASF gene might provide new insights into ASD and other neurodevelopmental disorders.

自闭症谱系障碍是导致我国儿童精神残疾的最主要疾病，目前尚缺乏有效的医学治疗方法。约14%的自闭症谱系障碍是由PI3K通路分子基因突变造成，该通路的过度激活造成神经元形态发育和突触可塑性被破坏，但具体的分子致病机制尚不明确。Tau作为神经元中的主要微管结合蛋白，其外显子10可变剪接产生两类tau蛋白，3R-tau和4R-tau。这两类tau蛋白的合理比例对调控微管动态、维护神经元稳定性和可塑性平衡有重要作用，因此在神经发育过程中受到严格调控。本项目拟以PTEN突变小鼠为自闭症谱系障碍模型，揭示tau外显子10可变剪接在正常神经发育和病理状态下的变化差异；运用分子和细胞生物学多种手段确定PI3K通路分子对剪接因子ASF介导的tau可变剪接的调控方式；并以ASF为主要作用靶点，纠正发育过程中3R-tau和4R-tau的比例失衡，探索治疗自闭症谱系障碍的可行性，为相关神经发育疾病提供参考。

Tau蛋白是神经元中主要的微管结合蛋白，其外显子10可变剪接产生4R-tau和3R-tau两类蛋白，合理比例对维持神经元稳定性和可塑性有重要作用。Tau外显子10编码的比例失调在阿尔茨海默病，帕金森病等神经退行性疾病中均有发现。本项目围绕tau外显子10的可变剪接，主要研究PI3K通路对剪接因子ASF介导的tau外显子10编码的调节方式；利用Pten缺乏的自闭症小鼠，研究PI3K通路过度激活对脑发育过程中tau外显子10可变剪接的影响；探索小鼠孕期和哺乳期叶酸添加对纠正子代自闭行为和tau外显子10剪接异常的作用。通过在细胞中共转染tau迷你基因，PI3K通路关键分子的质粒、抑制剂、siRNA等，发现PI3K通路可以通过ASF调节tau外显子10编码。利用GST-pull down和CO-IP实验，发现GSK-3beta可以与ASF相互作用。免疫荧光显示ASF与GSK-3beta存在部分共定位，进一步提示GSK-3beta可能直接调节ASF。设计ASFC端截断体与tau迷你基因共转染细胞，发现ASF C端的RS结构域是促进tau外显子10编码所必须。体内实验揭示Pten缺失导致小鼠出生后第10天4R-tau mRNA和成年后4R-tau蛋白比例显著上升；大鼠侧脑室注射GSK-3beta抑制剂，有类似发现，提示在体内PI3K通路可能是抑制tau外显子10编码。野生型小鼠孕期和哺乳期适量叶酸补充可增强子代的社交行为，进一步正在研究叶酸补充是否可纠正Pten突变鼠的tau可变剪接异常和自闭表型。科学意义在于首次揭示了PI3K通路通过GSK-3beta调节ASF介导的tau外显子10编码；首次发现Pten敲除致自闭症鼠中tau外显子10编码增多；孕期和哺乳期叶酸补充有利于子代的社交行为，为后续纠正自闭症小鼠症状和tau可变剪接异常提供研究基础。