ASPM基因对BOD1的转录调控在维持小头症食蟹猴认知功能中的作用

ASPM (abnormal spindle-like primary microcephaly) gene plays an important role on brain size expansion and intelligence elevation of primate. ASPM mutation is the most common cause for microcephaly primary hereditary (MCPH).It is reported that ASPM mutation frequently results in intelligence disability while hippocampus structure is largely preserved. Does ASPM directly involved in function regulation of hippocampus? It is still a scientific question without answer. Our study indicated that ASPM knockout can lead to primary microcephaly in monkey, however hippocampus structure is relatively normal, but BOD1 expression is down-regulated. It is reported that BOD1 contributes to synapse stability. Based on this evidence, we firstly speculate that ASPM processes a new function on hippocampus maintenance through BOD1 expression regulation. We plan to take the advantage of ASPM knockout monkeys we have already generated, using magnetic resonance imaging (MRI), cognition monitoring technology, combined with electrophysiological examination and immunohistochemistry to investigate the molecular mechanism how ASPM regulate hippocampus function, gain insights into ASPM function evolution, offer reference for MCPH intervention and treatment

ASPM (abnormal spindle-like primary microcephaly)基因在灵长类动物脑容量扩增、智力提升等方面具有重要调控作用，其突变是隐性遗传原发性小头症最为常见的致病因素。研究表明，ASPM基因突变病人常伴有智力障碍，但海马区结构通常受损不显著。ASPM基因是否直接参与海马神经元的功能调控？仍是悬而未决的科学问题。我们研究证明基因敲除ASPM可导致食蟹猴出现小头症，脑海马结构相对发育完善，但BOD1表达减少。有研究表明BOD1对维持神经突触连接稳定性具有重要作用。据此，我们首次提出ASPM通过调控BOD1基因表达来维护海马神经突触的稳定性和认知能力这一新功能。我们拟利用已创建的ASPM基因敲除猴，采用核磁共振成像与定期认知功能监测，电生理检测、免疫组织化学等方法研究ASPM调控海马功能的分子机制，为探究ASPM的功能进化和小头症的早期治疗干预提供参考。

人类是智力水平最高的动物，我们大脑结构的高度进化是重要的物质基础，人类脑容量与躯体体积的比值是所有动物中最高的。比较基因组学和医学遗传学的研究结果发现，ASPM基因是决定大脑容量大小的关键基因之一，该基因的缺失可导致小头症，在灵长类动物中该基因呈现加速进化的趋势。然而，在啮齿类动物中，ASPM基因敲除鼠并不能模拟脑容量减少的典型表型，说明ASPM基因在灵长类动物中具有特异性的机制调控大脑容量的扩增。临床患者多数智力受损不是非常严重，核磁共振影像的研究结果也显示患者的海马区体积和结构受累现对较轻，而海马区是神经干细胞最为集中的一个区域，这提示海马区的神经发育可能具有对抗ASPM导致的影响的补偿机制。本项目中，我们利用CRISPR/Cas9 技术创建的ASPM基因敲除猴开展机制研究，该动物模型表现出了与临床患者相同的小头症表型，身体躯干受影响不显著，提示ASPM在灵长类动物脑发育中可能具有跟人相同的分子调控机制。我们采用行为学、影像学、分子生物学、信息生物学的方法对模型动物进行了纵向跟踪分析，研究结果发现：1. ASPM导致的小头症并不像之前理论认为的是由于神经细胞分裂减少，神经元数量不足造成的，而大脑细胞结构不受影响，我们证明ASPM基因敲除猴的皮层结构出现显著的压缩，神经元的体积显著减小，单位面积内的神经元数量增加；2. 大量皮层的神经元胞体内出现泡状结构，呈现衰老相关特点；3. 白质区内少突胶质细胞数量明显减少，星型胶质细胞萎缩，但小胶质细胞未见明显异常，提示ASPM不仅影响神经元发育，也影响胶质细胞的生成，这可能是导致小头的重要原因之一；4. 神经元的成熟出现显著的迟滞现象，5. ASPM敲除动物的转录组分析证明，ASPM缺失可导致PI3K，Rap1, Ras等信号通路的上调，Calcium, MAPK,GMP-PKG, RnRH信号通路下调。概况来讲，我们的研究证明了ASPM基因在灵长类动物中通过影响Notch信号途径，导致神经元和胶质细胞的分裂和发育成熟出现异常，进而导致大脑容量的发育障碍。首次在灵长类动物中小头症的机理。