GABA能信号系统与神经发育障碍

神经发育障碍(neurodevelopment disorders，NDDs)是一组症状出现在儿童或青少年时期的疾病，其影响一些高级认知功能，如学习、社交和情绪[1]。NDDs风险基因中有相当一部分编码γ-氨基丁酸(GABA)能信号系统的组成成分，包括转录因子、GABA受体、抑制因子突触蛋白等，这些组成成分如发生基因突变或表观遗传变异可引起抑制神经元严重的功能障碍[2]。本文将着重阐述GABA能信号系统功能障碍在NDDs发生发展中的作用机制，为临床NDDs的诊断和治疗提供参考。

GABA是一种主要存在于中枢神经系统的抑制性神经递质，广泛分布于大脑和脊髓中。哺乳动物大脑发育过程中，GABA能神经元在增殖区产生的细胞迁移到特定大脑结构并组装成GABA能信号系统。GABA能信号系统由谷氨酸脱羧酶(GAD)、GABA、GABA转运蛋白和GABA受体(GABAR)组成[3]。GABA由GAD65/67催化谷氨酸脱羧产生，再通过GABA转运蛋白与GABAR结合发挥作用。GABAR分为离子型受体(GABAAR、GABACR)和代谢型受体(GABABR), 前者属于电压门控氯离子通道，后者属于G蛋白耦联受体。

大脑皮层中，数目众多的兴奋性神经元与抑制性中间神经元通过突触相互连接或自我连接，构建成复杂的神经网络来执行感觉、运动、学习、决策等功能。由谷氨酸能神经元提供的兴奋性信号和由GABA能神经元提供的抑制性信号往往是相辅相成的，从而达到兴奋和抑制的平衡。各类GABA能神经元所组成的抑制性微环路对平衡的维持十分重要[4]。

GABA能信号系统通过相位性抑制和紧张性抑制2种模式调节神经回路。依据GABA存在的位置和传递方式的不同，GABA介导的电流特性也不相同。GABA存在于突触内，于突触间传递，介导的是相位性抑制电流。这类抑制发生较快且时间精确，往往紧接首个动作电位之后，随后马上结束，称为快相交互抑制。若GABA存在于突触外，如突触间隙、细胞间隙，通过传递作用于突触后膜，介导的则是紧张性抑制电流，抑制电流具有持续性的特点。相位性GABA来自丘脑网状核中的GABA能神经元，而紧张性GABA的来源尚存争议[5]。

NDDs具有很强的遗传倾向。许多NDD风险基因编码的蛋白质是GABA能信号系统的组成成分，如GABAARβ3亚基和突触前细胞黏附分子NRXN1、NRXN2和NRXN3。孤独症谱系障碍(ASD)患者GPHN基因可见拷贝数变异和外显子缺失，而GPHN基因编码突触支架蛋白Gephyrin，参与GABAAR抑制性突触的形成和聚集[6]。Collybistin蛋白是一种与Gephyrin结合的GDP-GTP交换因子，可调节GABAAR聚集，其基因一旦发生突变可导致X连锁智力障碍的严重脑病和癫痫[7]。

NDDs可检测出多种表观遗传变异。编码DNA(胞嘧啶5)-甲基转移酶3A的DNMT3A基因如发生突变可破坏基因甲基化模式，增加自闭症的发病风险。一些ASD患者GABAAR亚基基因GABRA1和GABRB3的表达可发生表观遗传沉默。从小鼠神经元中敲除Fmr1基因会导致表观遗传调节因子的过度翻译和相当多的表观遗传错误调节[8]。

大多数疾病是遗传易感性和环境因子相互作用的结果。接触某些环境风险因素，例如传染性病原体、药物、滥用物质和毒素，可能会扰乱基因表达谱，从而增加NDDs的发病风险。怀孕期间由严重感染引起的母体免疫激活(MIA)可增加后代NDDs患病风险。

编码Nav1.1的电压门控性钠通道SCN1A主要存在于脑内GABA能抑制中间神经元的轴突起始段，SCN1A等位基因功能丢失性突变可导致GABA能抑制中间神经元放电功能障碍而引起Dravet综合征等难治性癫痫[9]。SCN1A基因敲除后, 小鼠可表现出自发癫痫发作，且在出生后一周内死亡。

自闭症易感基因Ptchd1在丘脑网状核(TRN)选择性表达，而TRN主要由PV+GABA能神经元组成，控制皮层和丘脑之间的信息流。ASD和智力残疾(Intellectual disability，ID)中存在X连锁基因Ptchd1的罕见拷贝数变异和错义突变[10]。特异性敲除TRN中的Ptchd1, 小鼠表现出注意力缺陷和多动症的行为[11]。TRN中的GABA能神经元在睡眠的产生和维持中起到非常重要的作用，Ptchd1Y/-型小鼠可观测到睡眠纺锤波活动减少和碎片化睡眠的产生[11]。

MECP2基因突变可引起Rett综合征。Rett综合征是一种严重影响儿童精神运动发育的神经发育性遗传病。患者主要是女孩，一般从半岁到一岁半时起病，呈进行性智力下降。GABA能神经元MECP2基因敲除后，小鼠可呈现Rett综合征和自闭症特征。相反，恢复GABA能神经元MECP2基因表达，MECP2Y/-雄性小鼠或MECP2+/-雌性小鼠Rett综合征症状可得到极大改善[12]。因此，通过GABA能神经元调节兴奋/抑制平衡可作为Rett综合征的潜在治疗方法。

大脑的突触和回路具有高度的可塑性，并不断地进行自我平衡调整。NDDs风险基因在神经回路可塑性调控中起着非常重要的作用。在Rett综合征和Angelman综合征模型小鼠可观测到视觉皮层可塑性受损。钾氯联合转运蛋白2(K+-Cl- cotransporter 2，KCC2)和钠钾氯联合转运蛋白1(Na+-K+-Cl- cotransporter 1，NKCC1)是调节神经系统氯离子稳态的主要阳离子氯离子联合转运蛋白，NKCC1将Cl-转运入胞内，KCC2将Cl-转运至胞外，两者共同调节氯离子平衡及神经元的兴奋性。KCC2/NKCC1表达异常可引起GABA从抑制性向兴奋性转变，导致NDDs[13]。FXS模型小鼠在发育关键期抑制NKCC1表达可恢复体感皮层突触可塑性，说明氯离子稳态的破坏可能是NDDs皮质可塑性损害的基础[14]。

GABAAR是抑制性蛋白复合体，介导前脑大多数快速突触抑制，其数量或活性的精确变化直接影响抑制强度。GABAAR通常由两个α(α1-6)、两个β(β1-3)和一个γ(γ1-3)或一个δ亚基组成。特异性敲除编码GABAARδ-亚基的基因，小鼠可表现出焦虑样而不影响运动表现的行为，表明由强直性GABA能抑制介导的小脑非运动功能的破坏可导致某些NDD症状[15]。

基因靶向疗法是治疗NDDs的新型治疗方式，其中最有希望的治疗方式是基因替代和基因编辑技术。基因替代疗法通常使用病毒载体将感兴趣的基因转移到靶细胞，以补偿有缺陷的内源基因。在Rett综合征或FXS模型小鼠中，把载有MECP2或FMR1的病毒载体注入海马中，可改善Rett综合征或FXS模型小鼠的认知功能[16-17]。目前，基因编辑技术已在多种疾病中得到应用。基因编辑和牛体外胚胎培养等繁殖技术结合，允许使用合成的高度特异性的内切核酸酶直接在受精卵母细胞中进行基因组编辑。CRISPR-Cas9进一步增加了基因编辑在动物基因靶向修饰的应用范围。FXS神经元模型中，利用dCas9-Tet1/single guide RNA (sgRNA)使FMR1基因靶向去甲基化可促进FMR1基因重新激活和功能恢复[18]。

NDDs基因治疗存在很多不确定性，如病毒载体转染效率和靶基因表达情况。克服这种限制的一种策略是开发药物绕过上游的遗传或环境因素，直接靶向作用于执行细胞功能的蛋白质。许多小分子药物是GABAAR和GABABR的变构调节剂, 可作用于苯并二氮位点，诱导GABAAR或GABABR构象和结构发生改变，对受体的相关功能起到变构调控作用。另外，一些小分子药物是NKCC1特定的阻滞剂，如VU0463271，可减少NKCC1活性，增强GABA能抑制的功效，改善NDDs患者症状[19]。也可以通过蛋白质翻译后修饰方法调节KCC2或NKCC1活性，如靶向修饰WNK(with-no-lysine kinase)，磷酸化KCC2和NKCC1可分别抑制或激活它们的功能[19]。

注意缺陷多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)为一种在儿童时期发生的神经发育障碍。中医药治疗ADHD以滋肾平肝、调和阴阳、安神益智、豁痰开窍为主[20]。中医药调节ADHD的信号通路研究集中于DA、5-HT、NE等神经递质系统，而GABA能信号系统的研究较少。下一步可加强这方面的研究。

GABA属于抑制性神经递质, 可抑制中枢神经系统过度兴奋, 对脑部具有安定作用, 促进放松和消除神经紧张。GABA能系统功能异常及其相关遗传、表观遗传等改变可导致涉及X连锁智力障碍的严重脑病和癫痫等NDDs。了解遗传学与表观遗传学的相互作用和环境因素可能有助于解释具有共同疾病个体的疾病表型的严重程度或相关的遗传性NDDs的诊断。NDDs风险基因的突变通常存在于大脑不同类型的细胞中。系统地了解NDDs相关回路异常并进一步剖析不同细胞类型在介导脑回路功能障碍中的各自作用至关重要。

利益冲突：所有作者均申明不存在利益冲突。