突触后支架蛋白Shank在神经突触的功能解析

Various recent studies showed that postsynaptic Shank scaffold proteins involved in autism, schizophrenia and Alzheimer's disease. The Shank family consists of three members: Shank1, Shank2 and Shank3. All of them expressed broadly in the brain, including areas of higher cognitive function like cortex and hippocampus. Shank functions as major scaffolding molecules at postsynaptic density (PSD) within the central nervous system. Predominantly localized beneath the postsynaptic membrane and harboring multiple protein-protein interaction domains, they cross-link receptor complexes and cytoskeleton elements, thereby forming an indispensable framework for the assembly of the PSD. Our preliminary results found that Drosophila shank mutants show morphological defects of neuromuscular junction and in subsynaptic reticulum（SSR）as well as PSD length, indicating its essential function at synapse. Interestingly, clustering of Actin associated proteins and Na+/K+-ATPase are impaired in shank mutant, suggesting that Shank plays vital roles in regulating Actin dynamics and ion channel at synapse. Drosophila melanogaster will be used as model animal to further analyze Shank function through multiple methods, including biochemistry, cell biology, electrophysiology, genetics, live imaging and electron microscopy. It is important to elucidate the synaptic function of Shank and its interaction network for understanding the pathologic mechanism of Shank-associated neuronal disorders.

近几年来，在自闭症、精神分裂症以及阿尔兹海默症病人中都发现shank基因的突变。Shank蛋白家族在大脑中广泛表达。在进化上，其功能结构域高度保守。多项研究表明Shank作为突触后高表达支架蛋白，调节蛋白与蛋白间的相互作用，是神经递质受体复合体与肌动蛋白细胞骨架之间的桥梁，对突触后电子密度致密区的形成和调控发挥不可或缺的作用。我们的初步研究发现果蝇shank突变体神经突触形态明显异常，突触后网状结构异常以及突触后肌动蛋白纤维形成和离子通道蛋白聚集受到影响，提示其在突触后发挥重要功能。本课题拟用果蝇作为模式生物，利用生物化学，细胞生物学，电生理，遗传学，活体成像技术和电子显微镜技术等多种研究方法，进一步解析Shank在神经突触的功能，阐明Shank与神经递质受体、离子通道和肌动蛋白纤维之间的调控关系，从而系统的揭示Shank在神经突触的功能和致病机理。

自闭症谱系障碍简称自闭症（autism spectrum disorder，ASD）是一类常见的神经发育疾病，主要表现为人际交往障碍、行为方式刻板重复及兴趣狭窄。Shank是位于兴奋性谷氨酸能突触后电子致密区的支架蛋白，医学遗传学研究表明，Shank蛋白家族成员突变是自发性ASD的诱因。为了更好的研究Shank在体内的功能及相关的神经病理学机制，我们构建了多个果蝇Shank突变体。我们发现Shank突变体的个体发育，存活及可育性均无明显缺陷。免疫染色的结果显示Shank在中枢神经系统的神经纤维网（neuropil）富集，而在外周神经系统的神经肌肉突触（NMJ）中没有检测到表达。与定位结果一致，Shank突变体中神经肌肉突触结构也没有检测到异常。Shank在中枢神经系统中的免疫染色结果表明，Shank突变体中蘑菇体萼区的神经小球（glomerulus）分枝数目减少，突触后胆碱乙酰转移酶受体分布异常。电镜结果进一步确认了Shank突变体中蘑菇体萼区的结构缺陷，同时发现Shank突变体的PSD数目增加，而PSD厚度减少，PSD区的突触隙变窄的结构异常。Shank与另一个突触后电子致密区支架蛋白Homer在果蝇大脑蘑菇体萼区（calyx）中共定位，且Shank和Homer在蘑菇体萼区的定位相互依赖，提示Shank在果蝇的中枢神经系统突触后电子致密区发挥作用。行为学研究表明Shank突变体爬行能力、起始飞行能力、活动性均有下降；与Shank突变体蘑菇体中突触结构异常相一致，Shank突变体还存在嗅觉学习能力下降的表型。Shank突变蘑菇体结构及功能上的异常能够被神经元表达的Shank所挽救。以上研究表明Shank在神经环路形成及高级认知功能中发挥重要作用。ASD病人也存在运动能力下降、学习能力下降等相关的表型，以果蝇为模式动物研究Shank的功能有望对ASD神经发病机制提供新见解。