Trio基因缺失或突变导致孤独症样行为的脑区结构基础和分子机制

Autism is a kind of neurodevelopmental disorder which has specific genetic foundation and corresponding defective phenotype of brain development. Previous studies have reported the variants including deletion and mutation in TRIO transcripts in autistic patients, but its role in brain development and related cognitive function are not understood. Here we find that Trio disrupted mice not only exhibited autism-like behaviors, but also showed deficit in excitatory and inhibitory neuronal precursor cell migration in the forebrain, and abnormal number and distribution of neurons in cortex and hippocampus. We will further investigate the role of Trio in neuron migration in-depth and the related molecular mechanism by using in utero electroporation and brain slice culture, and elucidate the characteristics of neural microcircuit formation and excitatory / inhibitory balance in the vital brain regions in knockout mice by the means of patch clamp and neurotransmitter microdialysis. In addition, we will further reveal the vital structural basis including brain regions, neuronal circuits and specific cell types which lead to autism-like behaviors and its association with abnormal neurodevelopment by using calcium image, virus tracing and conditional knockout methods. Then the possibility of abnormal behaviors recovery will be discussed. This research will preliminarily reveal the neurobiological mechanism of autistic core features resulting from TRIO dysfunction, be helpful to understand the pathogenesis of autism, and provide clues for searching the therapeutic targets.

孤独症是一种神经发育障碍，具有独特的遗传基础及相应的脑发育缺陷表型。既往研究报道孤独症患者存在TRIO基因的缺失或突变，但其对脑发育及脑高级认知功能的影响尚不清楚。课题组前期发现Trio缺失小鼠模型不仅出现孤独症样行为，且具有前脑兴奋性和抑制性神经元前体细胞迁移障碍，以及皮层和海马等脑区神经元数量及分布异常等表型。本项目拟采用子宫内电穿孔和脑片培养等方法深入研究Trio在细胞迁移中的作用及分子机制；借助膜片钳和神经递质微透析等手段明确敲除小鼠关键脑区神经微环路形成及兴奋性/抑制性平衡改变等特征；结合钙荧光成像、病毒示踪和细胞类型特异性敲除等方法进一步揭示导致孤独症异常行为的关键脑区、环路和细胞类型结构基础及其与神经发育障碍的相关性，并探讨改善小鼠异常行为的可能性。本项目预期结果将初步揭示TRIO功能缺失导致孤独症核心症状的神经生物学机制，有助于理解孤独症的发病机理并为寻找治疗靶点提供线索。

孤独症谱系障碍是一组高度遗传的神经发育障碍。神经元迁移障碍可能通过影响神经微环路的结构和功能导致孤独症样行为异常，这与孤独症患者中观察到的一些病理特征一致。TRIO是孤独症的高风险候选基因。TRIO中的功能性突变，尤其是鸟嘌呤核苷酸交换因子1（GEF1）结构域中的突变，与孤独症发病密切相关，而潜在的神经生物学和分子环路机制仍有待阐明。本项目研究发现小鼠Trio缺陷或GEF1突变时胚胎期迁移的抑制性中间神经元出现形态和迁移方向、速率的异常，其由Trio GEF1-Rac1激活介导，并参与SDF1α/CXCR4信号传导。在前脑抑制性神经前体细胞中敲除该基因导致胚胎期抑制性神经元迁移障碍和出生后前额叶皮质各类型中间神经元数量减少及分布异常。进一步研究发现敲除小鼠存在前脑皮质局部微环路建构异常和兴奋性/抑制性失衡，以及对诱发癫痫的易感性增加。同时敲除小鼠也出现孤独症相关的社交障碍、语言发育异常和重复刻板行为。此外，项目研究发现Trio通过两种不同的机制调控胚胎皮层兴奋性神经元的放射状迁移。一方面，Trio通过影响下游Rac信号通路，调控细胞骨架蛋白的排列和神经元由多极性向双极性的转变。另一方面，Trio可以通过与Myosin X蛋白结合，调节下游N-cadherin分子的上膜，影响神经元沿放射状胶质细胞骨架的迁移。这些结果表明，GEF结构域通过以不同和协同的方式激活其Rho-GTPase效应蛋白，在调节抑制性神经元的切向迁移和兴奋性神经元的放射状迁移中发挥重要作用，这可能与包括孤独症在内的神经发育障碍的异常表型有关。该研究对理解胚胎期兴奋性和抑制性神经元发育异常导致出生后兴奋性/抑制性平衡异常和孤独症样行为，以及以抑制性信号受体作为靶点治疗孤独症提供了一定的依据。