GABA能信號系統與神經發育障礙*

劉美蘭 綜述 張俊青 審校

(濟寧市精神病防治院，濟寧 272051)

神經發育障礙(neurodevelopment disorders，NDDs)是一組癥狀出現在兒童或青少年時期的疾病，其影響一些高級認知功能，如學習、社交和情緒[1]。NDDs風險基因中有相當一部分編碼γ-氨基丁酸(GABA)能信號系統的組成成分，包括轉錄因子、GABA受體、抑制因子突觸蛋白等，這些組成成分如發生基因突變或表觀遺傳變異可引起抑制神經元嚴重的功能障礙[2]。本文將著重闡述GABA能信號系統功能障礙在NDDs發生發展中的作用機制，為臨床NDDs的診斷和治療提供參考。

1 GABA能信號系統

1.1 GABA能信號系統組成

GABA是一種主要存在于中樞神經系統的抑制性神經遞質，廣泛分布于大腦和脊髓中。哺乳動物大腦發育過程中，GABA能神經元在增殖區產生的細胞遷移到特定大腦結構并組裝成GABA能信號系統。GABA能信號系統由谷氨酸脫羧酶(GAD)、GABA、GABA轉運蛋白和GABA受體(GABAR)組成[3]。GABA由GAD65/67催化谷氨酸脫羧產生，再通過GABA轉運蛋白與GABAR結合發揮作用。GABAR分為離子型受體(GABAAR、GABACR)和代謝型受體(GABABR),前者屬于電壓門控氯離子通道，后者屬于G蛋白耦聯受體。

1.2 GABA能信號系統生理功能及其作用機制

大腦皮層中，數目眾多的興奮性神經元與抑制性中間神經元通過突觸相互連接或自我連接，構建成復雜的神經網絡來執行感覺、運動、學習、決策等功能。由谷氨酸能神經元提供的興奮性信號和由GABA能神經元提供的抑制性信號往往是相輔相成的，從而達到興奮和抑制的平衡。各類GABA能神經元所組成的抑制性微環路對平衡的維持十分重要[4]。

GABA能信號系統通過相位性抑制和緊張性抑制2種模式調節神經回路。依據GABA存在的位置和傳遞方式的不同，GABA介導的電流特性也不相同。GABA存在于突觸內，于突觸間傳遞，介導的是相位性抑制電流。這類抑制發生較快且時間精確，往往緊接首個動作電位之后，隨后馬上結束，稱為快相交互抑制。若 GABA存在于突觸外，如突觸間隙、細胞間隙，通過傳遞作用于突觸后膜，介導的則是緊張性抑制電流，抑制電流具有持續性的特點。相位性 GABA來自丘腦網狀核中的GABA能神經元，而緊張性GABA的來源尚存爭議[5]。

2 GABA能信號系統障礙與NDDs

2.1 遺傳、表觀遺傳和環境風險因素

NDDs具有很強的遺傳傾向。許多NDD風險基因編碼的蛋白質是GABA能信號系統的組成成分，如 GABAARβ3亞基和突觸前細胞黏附分子NRXN1、NRXN2和NRXN3。孤獨癥譜系障礙(ASD)患者GPHN基因可見拷貝數變異和外顯子缺失，而GPHN基因編碼突觸支架蛋白 Gephyrin，參與GABAAR抑制性突觸的形成和聚集[6]。Collybistin蛋白是一種與 Gephyrin 結合的 GDP-GTP 交換因子，可調節GABAAR聚集，其基因一旦發生突變可導致X連鎖智力障礙的嚴重腦病和癲癇[7]。

NDDs可檢測出多種表觀遺傳變異。編碼DNA(胞嘧啶 5)-甲基轉移酶 3A的DNMT3A基因如發生突變可破壞基因甲基化模式，增加自閉癥的發病風險。一些ASD患者GABAAR亞基基因 GABRA1 和 GABRB3的表達可發生表觀遺傳沉默。從小鼠神經元中敲除 Fmr1 基因會導致表觀遺傳調節因子的過度翻譯和相當多的表觀遺傳錯誤調節[8]。

大多數疾病是遺傳易感性和環境因子相互作用的結果。接觸某些環境風險因素，例如傳染性病原體、藥物、濫用物質和毒素，可能會擾亂基因表達譜，從而增加NDDs的發病風險。懷孕期間由嚴重感染引起的母體免疫激活(MIA)可增加后代NDDs患病風險。

2.2 GABA能系統功能異常

編碼Nav1.1的電壓門控性鈉通道SCN1A主要存在于腦內GABA能抑制中間神經元的軸突起始段，SCN1A等位基因功能丟失性突變可導致GABA能抑制中間神經元放電功能障礙而引起Dravet綜合征等難治性癲癇[9]。SCN1A基因敲除后,小鼠可表現出自發癲癇發作，且在出生后一周內死亡。

自閉癥易感基因Ptchd1在丘腦網狀核(TRN)選擇性表達，而TRN主要由PV+GABA能神經元組成，控制皮層和丘腦之間的信息流。ASD和智力殘疾(Intellectual disability，ID)中存在X連鎖基因Ptchd1的罕見拷貝數變異和錯義突變[10]。特異性敲除TRN中的Ptchd1,小鼠表現出注意力缺陷和多動癥的行為[11]。TRN中的GABA能神經元在睡眠的產生和維持中起到非常重要的作用，Ptchd1Y/-型小鼠可觀測到睡眠紡錘波活動減少和碎片化睡眠的產生[11]。

MECP2基因突變可引起Rett綜合征。Rett綜合征是一種嚴重影響兒童精神運動發育的神經發育性遺傳病。患者主要是女孩，一般從半歲到一歲半時起病，呈進行性智力下降。GABA能神經元MECP2基因敲除后，小鼠可呈現Rett綜合征和自閉癥特征。相反，恢復GABA能神經元MECP2基因表達，MECP2Y/-雄性小鼠或MECP2+/-雌性小鼠Rett綜合征癥狀可得到極大改善[12]。因此，通過GABA能神經元調節興奮/抑制平衡可作為Rett綜合征的潛在治療方法。

大腦的突觸和回路具有高度的可塑性，并不斷地進行自我平衡調整。NDDs風險基因在神經回路可塑性調控中起著非常重要的作用。在Rett綜合征和Angelman綜合征模型小鼠可觀測到視覺皮層可塑性受損。鉀氯聯合轉運蛋白2(K+-Cl-cotransporter 2，KCC2)和鈉鉀氯聯合轉運蛋白1(Na+-K+-Cl-cotransporter 1，NKCC1)是調節神經系統氯離子穩態的主要陽離子氯離子聯合轉運蛋白，NKCC1將Cl-轉運入胞內，KCC2將Cl-轉運至胞外，兩者共同調節氯離子平衡及神經元的興奮性。KCC2/NKCC1表達異常可引起GABA從抑制性向興奮性轉變，導致NDDs[13]。FXS模型小鼠在發育關鍵期抑制NKCC1表達可恢復體感皮層突觸可塑性，說明氯離子穩態的破壞可能是NDDs皮質可塑性損害的基礎[14]。

GABAAR是抑制性蛋白復合體，介導前腦大多數快速突觸抑制，其數量或活性的精確變化直接影響抑制強度。GABAAR通常由兩個α(α1-6)、兩個β(β1-3)和一個γ(γ1-3)或一個δ亞基組成。特異性敲除編碼GABAARδ-亞基的基因，小鼠可表現出焦慮樣而不影響運動表現的行為，表明由強直性GABA能抑制介導的小腦非運動功能的破壞可導致某些NDD癥狀[15]。

3 治療

3.1 基因靶向療法

基因靶向療法是治療NDDs的新型治療方式，其中最有希望的治療方式是基因替代和基因編輯技術。基因替代療法通常使用病毒載體將感興趣的基因轉移到靶細胞，以補償有缺陷的內源基因。在Rett綜合征或FXS模型小鼠中，把載有MECP2或FMR1的病毒載體注入海馬中，可改善Rett綜合征或FXS模型小鼠的認知功能[16-17]。目前，基因編輯技術已在多種疾病中得到應用。基因編輯和牛體外胚胎培養等繁殖技術結合，允許使用合成的高度特異性的內切核酸酶直接在受精卵母細胞中進行基因組編輯。CRISPR-Cas9進一步增加了基因編輯在動物基因靶向修飾的應用范圍。FXS神經元模型中，利用dCas9-Tet1/single guide RNA (sgRNA)使FMR1基因靶向去甲基化可促進FMR1基因重新激活和功能恢復[18]。

3.2 蛋白質靶向療法

NDDs基因治療存在很多不確定性，如病毒載體轉染效率和靶基因表達情況。克服這種限制的一種策略是開發藥物繞過上游的遺傳或環境因素，直接靶向作用于執行細胞功能的蛋白質。許多小分子藥物是GABAAR和GABABR的變構調節劑,可作用于苯并二氮位點，誘導GABAAR或GABABR構象和結構發生改變，對受體的相關功能起到變構調控作用。另外，一些小分子藥物是NKCC1特定的阻滯劑，如VU0463271，可減少NKCC1活性，增強GABA能抑制的功效，改善NDDs患者癥狀[19]。也可以通過蛋白質翻譯后修飾方法調節KCC2或NKCC1活性，如靶向修飾WNK(with-no-lysine kinase)，磷酸化KCC2和NKCC1可分別抑制或激活它們的功能[19]。

3.3 中醫藥治療

注意缺陷多動障礙(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)為一種在兒童時期發生的神經發育障礙。中醫藥治療ADHD以滋腎平肝、調和陰陽、安神益智、豁痰開竅為主[20]。中醫藥調節ADHD的信號通路研究集中于DA、5-HT、NE 等神經遞質系統，而GABA能信號系統的研究較少。下一步可加強這方面的研究。

4 小結與展望

GABA屬于抑制性神經遞質,可抑制中樞神經系統過度興奮,對腦部具有安定作用,促進放松和消除神經緊張。GABA能系統功能異常及其相關遺傳、表觀遺傳等改變可導致涉及X連鎖智力障礙的嚴重腦病和癲癇等NDDs。了解遺傳學與表觀遺傳學的相互作用和環境因素可能有助于解釋具有共同疾病個體的疾病表型的嚴重程度或相關的遺傳性NDDs的診斷。NDDs風險基因的突變通常存在于大腦不同類型的細胞中。系統地了解NDDs相關回路異常并進一步剖析不同細胞類型在介導腦回路功能障礙中的各自作用至關重要。

利益沖突：所有作者均申明不存在利益沖突。