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【Gene of the Week】“微笑”背后的故事:UBE3A与天使综合征

UBE3A与天使综合征

 

想调整研究方向,获得学术研究突破口?想获得论文选题思路,提高发文命中率?你需要了解学科发展态势和未来走向!赛业生物专栏《Gene of the Week》每周二会根据热点研究领域介绍一个基因,详细为您介绍基因基本信息、研究概况和应用背景等,助您保持学术研究敏锐度,提高科学研究效率,期待您的持续关注哦。今天我们要讲的主角是UBE3A及其导致的遗传性疾病——天使综合征。

 

UBE3A基因简介

UBE3A基因,英文全称为Ubiquitin Protein Ligase E3A,中文名称为泛素蛋白连接酶E3A,该基因编码的UBE3A蛋白是泛素蛋白降解系统的一员。该印迹基因在大脑中以母源染色体表达为主,而在其他组织中则呈现为父源、母源等位表达。UBE3A基因位于人类的第15号染色体15q11-13上,基因全长为10.8kb,共有21个外显子,氨基酸数量为852个。该基因的母系遗传缺失所导致的泛素化异常与天使综合征(Angleman syndrome)密切相关。

UBE3A基因敲除小鼠

表1. UBE3A的基本信息

备注:标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠

 

天使综合征

天使综合征(Angleman syndrome,AS)由法国医生Angelman发现,因此又名为Angelman综合症,发病率大约为1/12,000-24,000,疾病特征是严重的发育迟缓或智力缺陷、严重的语言障碍、共济失调和/或四肢颤抖,以及频繁的笑、异常睡眠模式和多动症。小头畸形和癫痫发作也很常见。发育迟缓首先在大约六个月大时注意到。但是,天使综合征的独特临床特征要等到一年后才显现出来,并且可能需要数年时间才能对正确的临床诊断产生明显影响,目前还没有有效的治疗方法。

图1. 天使综合征AS患者的特征

图1. 天使综合征AS患者的特征[1]

 

AS是由于母源15号染色体上的UBE3A基因缺失或表达异常,而父源 UBE3A 基因受长非编码 RNA(UBE3A-ATS)影响而在神经元中特异性沉默,由此导致AS患者黑质、纹状体、海马及小脑浦肯野细胞蛋白泛素化异常。目前已明确导致天使综合征的分子遗传机制有4种:①母源15q11-13缺失;②父源15号染色体存在单亲二体(Uniparental disomy,UPD);③母源15q11.2-q13印记缺陷(imprinting defect,ID)和④母源UBE3A基因发生致病突变。四种分子机制都导致了母源UBE3A基因的功能丧失,其中母源15q11-13缺失最常见,多数约长5-7 Mb[2]

表2. 天使综合征相关信息

表2. 天使综合征相关信息

 

天使综合征相关小鼠模型

一项研究表明,以C57BL/6小鼠构建Tamoxifen(他莫西芬)诱导的Ube3a基因敲除模型,Ube3a基因在被诱导敲除后,小鼠在旋转棒性能实验(rotarod performance)、大理石掩埋实验(marble-burying)、开放区域探索实验(open field exploration)、筑巢实验以及声音所引起的癫痫发作阈值测试(audiogenic seizure threshold)中,与对照组小鼠相比都具有显著性的差异。而在Ube3a敲除小鼠的早期胚胎中重新导入Ube3a基因则能够避免天使综合征的表型的出现[3]。另一项研究表明,母本Ube3a缺失的小鼠(Ube3am-/p+)在Morris水迷宫中具有明显的习得性和逆转性学习缺陷。研究结果还表明,Ube3am-/p+小鼠在旋转任务实验中表现出运动障碍、活动减退、减少进食和大理石掩埋,以及缺乏恐惧性条件反射等一系列的现象[4]

图2.敲除Ube3a基因后小鼠行为学的改变

图2.敲除Ube3a基因后小鼠行为学的改变[3]

 

天使综合征的治疗

研究表明,由于在神经系统中父本来源的UBE3A基因被一段非编码RNA(UBE3A-ATS)所沉默,只依赖于母本来源的UBE3A的表达,因此,若母本来源的UBE3A发生缺失或突变的话,就会导致天使综合征。因此,已有研究人员推测使用基因治疗的方式,恢复UBE3A的表达,可以显著改善疾病的临床预后。然而,他们发现如果在天使综合征模型小鼠成年之后才恢复UBE3A的功能,并不能完全恢复模型小鼠的神经系统缺陷和行为学异常。只有在胚胎发育早期进行干预才能显著改善模型小鼠的神经发育障碍。这表明,人类患者在年龄越小的时候接受基因治疗其症状改善的程度将会越佳[3]

 

而另一种治疗方法则是通过靶向非编码RNA UBE3A-ATS来恢复父本来源的UBE3A的表达。研究人员通过将天使综合征模型小鼠的大脑注射AAV腺相关病毒的方式,利用CRSPR/Cas9基因编辑系统对小鼠神经细胞的UBE3A-ATS进行敲除,从而使得父本来源的UBE3A的表达得以恢复,行为学实验表明模型小鼠的症状得到了显著的改善[5]

图3. AAV介导的CRSPR/Cas9对UBE3A-ATS的敲除恢复了UBE3A的表达

图3. AAV介导的CRSPR/Cas9对UBE3A-ATS的敲除恢复了UBE3A的表达[5]

 

小结

UBE3A作为天使综合征和自闭症等遗传性疾病密切相关的基因。在疾病的诊断方面,可以在怀孕期间对胎儿的基因组进行测序,从而判断UBE3A的缺失以及突变等情况。目前尚无药物可以针对该病进行治疗,然而,部分研究则表明利用腺相关病毒恢复UBE3A表达等基因治疗的方式展现出巨大的潜力。并且,在幼儿的早期进行治疗,能够更加显著地改善其症状。

 

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参考文献:

[1]A. Dagli, et al. Molecular and Clinical Aspects of Angelman Syndrome. Mol Syndromol. 2012 Apr; 2(3-5): 100–112.

[2]Charles A Williams, et al. Angelman syndrome 2005: updated consensus for diagnostic criteria. Am J Med Genet A. 2006 Mar 1;140(5):413-8

[3]Sara Silva-Santos, et al. Ube3a reinstatement identifies distinct developmental windows in a murine Angelman syndrome model. J Clin Invest. 2015 May 1; 125(5): 2069–2076.

[4]Hsien-Sung Huang, et al. Behavioral deficits in an Angelman syndrome model: Effects of genetic background and age. Behav Brain Res. 2013 Apr 15; 243: 79–90.

[5]Ralf S. Schmid, et al. CRISPR/Cas9 directed to the Ube3a antisense transcript improves Angelman syndrome phenotype in mice. J Clin Invest. 2021 Mar 1; 131(5): e142574.

 

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