UBE3A与孤独症谱系障碍病因的相关性研究进展

周伊敏，姜志梅

(佳木斯大学附属第三医院，佳木斯大学康复医学院：黑龙江佳木斯154007)

【摘要】：孤独症谱系障碍(ASD)是一种神经发育障碍性疾病，以社吏障碍、限制性刻板行为和兴趣狭窄为核心症状。目前，ASD患病率高达1/59,但病因尚不明确。近年来，相关研究发现UBE3A的过度表达会改变突触功能和可塑性，使UBE3A成为易患ASD的重要候选基因。为进一步系统全面地探索及实践这一新发现，根据相关文献总结UBE3A的关键作用机制，与ASD的直接、间接的相关性，展望未来治疗趋势，为今后的ASD病因研究提供思路。

【关键词】：孤独症谱系障碍；UBE3A；突触可塑性；15qll-13区域；相关性

中图分类号：R493文献标识码：A文章编号：1005-5320(2021)01-0064-04

基金项目：佳木斯大学优秀学科团队项目(JDXKTD—2019006)；佳木斯大学博士专项科研基金启动项目(JM-SUZB2018-03)

作者简介：周伊敏(1995—),女，在读硕士研究生，主要研究方向：儿童脑发育与行为障峙防治。通讯作者：姜志梅。力障碍和孤独症特征的神经发育障碍疾病⑵。存在典型孤独症表型的Dup15q综合征主要源于UBE3A的过度表达⑶。故推测UBE3A的活性及表达与ASD病因存在一定关联。已有报道表明UBE3A通过蛋白酶体介导来降解和转录调控其靶蛋白，并在调节突触功能和可塑性方面发挥重要作用。

本文综述UBE3A在调控突触功能和可塑性中的关键作用,UBE3A突变与ASD直接、间接相关，展望未来治疗趋势等研究进展，旨在为今后的ASD病因研究提供一定思路与参考。

引言

孤独症谱系障碍(autismspectrumdisorder,ASD)是一种主要由环境和遗传因素共同作用所致、发生于儿童早期的复杂神经发育障碍性疾病，社交障碍、限制性刻板行为和兴趣狭窄是其核心症状。目前，ASD发病率高达1/59,呈逐年上升趋势,但病因尚未明确⑴。近期，环境因素，如在妊娠期吃药、喝酒，产前接触丙戊酸钠、杀虫剂，空气颗粒物污染和营养缺乏等，可能会阻碍神经发育而导致ASD。ASD复杂的遗传病因也在越来越多的研究中呈现，将近800个基因被列入ASD数据库。其中，母系遗传的UBE3A(UBiquitin-proteinligaseE3A,UBE3A)功能缺失与天使综合征(Angelmansyndrome,AS)发病相关，AS是一种伴有严重的智1UBE3A作用机制UBE3A基因，也称人类腺病毒E6相关蛋白(human-papillo—mavirusE6—associatedprotein,E6—AP)基因，是位于人类15qll—13区域上的重要母源印迹基因，覆盖的基因组约120kb,在小鼠中位于第7号染色体。UBE3A属于泛素研究领域最早被鉴定的泛素连接酶之一，研究者根据其结构特征，定义了一个大约包含40种蛋白的泛素连接酶HECT(homologoustoE6APC—terminus)亚家族⑷。目前,UBE3A的生理功能及其突变引发疾病的机制一直是神经生物学研究的热点之一。

1.1泛素化降解靶蛋白

UBE3A的功能特征之一为HECT结构域家族的E3泛素连接酶，可将泛素分子连接到靶蛋白的某个赖氨酸上，使蛋白酶体识别携带有多泛素链的靶蛋白，从而降解靶蛋白。UBE3A最初被发现存在于人乳头状瘤病毒感染的细胞中，抑癌基因p53蛋白的降解即通过UBE3A与病毒E6癌蛋白的相互作用。目前已有蛋白被确定为UBE3A的底物，可迄今几乎没有关于这些底物干预ASD的报道。此外，蛋白定位、内吞、转运以及蛋白一蛋白相互作用等一系列生物学过程,均依赖于泛素链的拓扑结构与底物蛋白的结合。蛋白质降解是一个正常的过程，去除受损或不必要的蛋白质，有利于维持细胞功能的正常发育。

1.2转录助激活剂'

首先，UBE3A显示与类固醇激素受体(如雌激素受体ER、雄激素受体AR及孕激素受体PR等)呈依赖性反式共激活,可逆转ER和PR之间的抑制，在其氨基末端区域包含一个潜在的激活功能。有染色质免疫沉淀(chromatinimmunoprecipitationassay,ChIP)实验表明,UBE3A被募集到雌激素反应性PS2启动子中，并且UBE3A与pS2启动子相关呈周期性,周期为40分钟，复合物的Re—ChIP分析说明E6-AP与pS2启动子处的p300-CBP/SRC-l复合物相关0James等的研究表明，hTERT启动子被病毒E6蛋白激活，与hTERT启动子处组蛋白H3的乙酰化相关方。H3的乙酰化和E6对hTERT启动子的活化依赖于E6—AP,并通过削弱P300CE1A结合蛋白p300)而增强。这些研究证明UBE3A可作为一种转录助激活剂，有效调节细胞周期与提高细胞蛋白质量。

1.3调控突触功能及可塑性

人类大脑由860亿个神经元组成,神经元通过数万亿个突触相连。有研究发现UBE3A表达增加使谷氨酸样突触传递减少,表现为突触前谷氨酸盐释放、突触内谷氨酸盐浓度和突触后活动电位减少。这说明UBE3A过度表达会减少突触间兴奋性的传递,UBE3A在调控神经突触功能方面发挥一定的作用，但目前尚未完全清楚UBE3A此功能与ASD发病存在相关性。Xu等3报道了UBE3A以泛素化依赖性方式负调节视网膜酸(RetinoicAcid,RA)合成的限速酶ALDH1A2的功能，过度表达的UBE3A损害了RA介导的神经元稳态突触可塑性。UBE3A还通过泛素化SK2通道，促进其内吞作用，导致NMDA受体(N-methyl-D-asparticacidreceptor)活化增加，从而调节突触可塑性基于UBE3A能够调节蛋白酶体成分的稳定性和功能，Lee等提出这一作用或许是影响大脑突触可塑性潜在机制的假设

2UBE3A与ASD病因的直接相关性

对于UBE3A与ASD病因之间的相关性，研究者们的观点并不一致。

2.1UBE3A过度表达的小鼠模型

为了阐述过度表达的UBE3A在ASD发病中的作用机制,Smith等'旳利用细菌人工染色体(bacterialartificialchromosome,BAC)重组技术复制了一个UBE3A过度表达标记的小鼠模型，主要通过将小鼠7号染色体的162kb片段(涵盖UBE3A的整个78kb编码序列)及其63kb5,和21kb3’的基因外切序列插入到FVB小鼠胚胎中，随后培育出单拷贝或双拷贝转基因小鼠。该模型表明UBE3A(2xTg)增加三倍的小鼠的孤独症外显率明显高于UBE3A(lxTg)两倍增长的小鼠，提醒只有三倍复制的小鼠模型才能表现岀全部的ASD症状。故而将UBE3A的过度表达作为ASD发病的关键遗传因素之一，但UBE3A表达的增加与ASD表型之间的联系迄今仍不明确。为进一步阐明此关联,Krishnan等⑴在UBE3A(2xTg)小鼠中发现了190个上调基因和408个下调基因，这些基因被富集用于谷氨酸能突触传递,Cblnl基因与NRXN1/2/3和突触后GRID1/2结合，且受UBE3A的剂量依赖性影响。蛋白质相互作用网络分析结果显示，伴随UBE3A(IxTg)和UBE3A(2xTg)小鼠模型中Cblnl的下调-NRXN1/2/3和GRID1/2基因在ASD中均发生突变師。另一项研究显示-HDAC1/2的水平和活性在AS小鼠大脑中均有所增加由于HDAC2负调控突触可塑性和记忆的形成，其活性的改变可能导致UBE3A相关的AS和ASD的突触功能障碍。以上研究表明UBE3A的转录解除机制可能与突触功能异常有关，进而更易患ASD。

2.2基因组测序

在一项全基因组测序研究中，Iossifov等n®在2014年发现ASD患者的UBE3A基因中存在T485A错义突变。T485A错义突变破坏了蛋白激酶A(proteinkinaseA,PKA)磷酸化位点，已知该位点通过抑制UBE3A连接酶对自身及底物的活性，导致UBE3A活性增加。2015年，Yi等3】的报道与此结论相同。Scoles等口,〕的研究表明存在典型孤独症表型的Dup15q患者死后，其大脑中的UBE3A转录物和蛋白质水平升高。这些研究结果表明UBE3A过度表达是导致孤独症表型的原因，成为研究ASD发病机制的一个新见解。但赵雪等使用高分辨率溶解曲线(highresolutionmelting,HRM)与Sanger测序相结合的方法首次对中国汉族人群的UBE3A与ASD之间的关系进行探索，发现在中国汉族人群中，UBE3A可能与ASD发病不相关。目前，关于UBE3A与ASD相关性方面的基因组测序结果尚未达成一致，提示可能存在种族、年龄等因素的影响，后续研究需扩大样本进行验证。

2.3标记UBE3A基因

对经Marker标记的UBE3A进行多等位基因传递不平衡检验(multiallelictransmission—disequilibriumtest,MT-DT),结果显示未发现ASD与位于UBE3A5，末端的D15S122等标记相关。Nurmi等口句检测到D15S122标记在94个孤独症家系中存在明显连锁不平衡，首次表明UBE3A与ASD有关。但Nurmi等在2003年推翻了自己2001年报道的结果。虽然对100个孤独症家系UBE3A和ATP10C基因的多个基因单核昔酸多态性(singlenucleotidepolymorphism,SNPs)和遗传标记进行连锁不平衡分析，未能发现D15S122标记与ASD相关的证据。Guffanti等网于2010年又重新证实了D15S122与ASD存在显著相关性。在一项对339名高功能(high一functioning)ASD包括UBE3A在内的21个孤独症候选基因的突变筛査中,结果显示ASD患者存在UBE3A基因的非同义(non—synony-mous)突变和缺失書1。Kato等网的研究虽未发现UBE3A的SNPs与ASD直接相关，却发现了SNRPN基因SNPs与ASD相关联，而SNRPN基因能够调节母源表达区域，进而间接影响UBE3A基因。

3UBE3A与ASD病因的间接相关性

3.115qll-13K域

15qll-13区域是人类基因组中最复杂的印迹表达区域之一，由一个片段较短的母源印迹基因表达区域(maternalexpressiondomain,MED)(包括UBE3A和ATP10A基因，约500kb)和一个较长的父源印迹基因表达区域(paternalexpressiondomain)(包括NDN、MAGEL2、MKRN3和SNRPN-SNURF基因等，约2Mb)组成。Sebat等网采用分子遗传学研究策略对孤独症患者的染色体进行系统筛査，发现15qll-13区域异常是孤独症患者常见的染色体异常之一。最近有报道揭示个体的15qll—13区域缺失、重复和拷贝数变异(copynumbervariants,CNVs)会导致孤独症样的临床表型出现，表明15qll-13区域染色体或基因异常也可能引起孤独症，如UBE3A基因。

3.1.1l，5qll-13区域缺失AS和Prader-willi综合征(Prader—willisyndrome,PWS)与15qll—13区域的缺失密切相关，且AS和PWS患者常表现出许多与孤独症重叠的特征，据报道，AS病因与跨度为5-7Mb的15qll—13区MED缺失有关的约占60%〜70%,约10%的AS患者携带母源染色体印迹错误。5%〜10%的AS病例中存在UBE3A基因的不同点突变皿突变形式主要包括缺失、插入、重复、错义突变及母源剪接突变等。由于这些突变全属于框移突变，故转录会提前终止。2004年，Peters等。句发现19例AS患者中有8例(约42%)符合ASD诊断。同年，有报道表明16例AS患者中有13例(约82%)共病ASD。2007年,Bonati等〔電在23例AS患者中发现符合ASD诊断者约占60%。既往研究显示PWS患者共病ASD的概率为19%〜36.5%,其中携带母源单亲双体型(uniparentaldisomies,UPD)与15qll—13区域缺失的PWS患者符合ASD诊断的概率没有差异，但是携带母源UPD的PWS患者在ASD的相关筛査问卷中得分更高。随后在Descheemaeker等的研究中也得到了相似的结论，这表明携带15qll—13区母源UPD的PWS患者共患ASD的风险更高。上述研究间接表明ASD发病可能与AS和PWS个体的15qll-13区域异常，尤其是与15qll—13母源区域缺失有关，而UBE3A基因是该区域最重要的母源印迹基因，因此也间接证明UBE3A可能与ASD发病相关。

3.1.215qll—13区域重复15qll—13区域重复在ASD

发生率约占1%〜3%,是ASD最常见的染色体异常，主要包括拷贝数变异(CNVs)、15号染色体的反向重复(invertedduplication,invdup(15))以及裂隙重复(interstitialduplication)0Glessner等盛〕发现约20%ASD患者的大量小片段基因组DNA存在CNVs。携带1个额外拷贝的母系遗传15qll-13片段反向复制(invdup(15))的患者显示轻度孤独症外显率(pnetrance),而携带2个或3个额外拷贝的患者则ASD症状更严重，但父源印迹基因表达区域的额外拷贝不会导致ASD这与Cook等首次提出的UBE3A基因印迹表达方式一致,故研究者认为患者的ASD外显率依赖于UBE3A拷贝数，间接说明了UBE3A拷贝数变异可能与ASD病因有关,但具体机制仍不完全明确。

据报道，携带15qll—13区裂隙重复个体中伴有较明显孤独症样表现的比例分别为1/213/3,8/15,提示需重点探讨裂隙重复与ASD病因间的具体作用机制S'有研究发现1例携带15qll—13区父源重复的未患病母亲将这一重复传递给了自己的患病子女，故认为父源裂隙重复常导致正常表型、母源裂隙重复易患孤独症。有报道称ASD也与父源15qll—13区域裂隙重复相关，提示具有15qll—13区父源裂隙重复的患者表型具有明显异质性(即从正常表型到明显的语言发育和认知受损及社会交往障碍等)。UBE3A是15qll-13区域最重要的母源印迹表达基因，故而间接证明TUBE3A与ASD发病有关。此外，同位于15qll—13区域且只在母体染色体上表达的ATP10A基因可能是ASD的另一个候选基因，但ATP10A并没有被发现具有母源性印迹，这一理论后来被Nakatani等驳倒口句。

4以UBE3A为治疗鞄点减缓ASD症状

迄今为止，已有研究学者采用UBE3A基因作为治疗靶点方法来达到减缓ASD症状的效果。Sonzogni等在AS小鼠模型的三个年龄段分别敲除其UBE3A基因，结果显示在模型3或12周龄时UBE3A缺失对其大多数ASD社会行为缺陷没有显著影响，且没有增加攧痫发作敏感性，说明能够改善运动缺陷。但是成年人的恢复未能显示出缓解效应，这表明存在高敏度的发育时间。Yi等口釘报道用靶向PKA的药物进行慢性治疗，如福斯克林和罗利普兰，可以降低神经元的UBE3A活性，进而降低ASD发生率，增加了以UBE3A为上游监管单位来改善孤独症样行为的可能性。此外，在UBE3A过度表达的ASD小鼠模型中，口服安全剂量的全反式维甲酸能够显著缓解ASD模型小鼠的一系列孤独症样行为，这为针对某些ASD亚型的临床干预提供了非常有潜力的分子靶标和前期研究基础。Xu等山通过在前额皮质中UBE3A过度表达或施用ALDH1A拮抗剂在小鼠中重现孤独症样行为，而RA补充剂明显减轻过量UBE3A剂量诱导的孤独症表型。最需要关注的是，近年来，反义寡核昔酸的UBE3A—ats已被证明可以激活父本的UBE3A,改善AS小鼠的异常行为，而且类似的策略也可将下调UBE4A应用于改善孤独症表型中。

5小结

综上所述，UBE3A基因成为ASD病因学重要的候选基因以及作为治疗靶点是一新发现，不仅阐述了UBE3A在ASD发病中的作用机制及相关联系，更是提供了减缓ASD症状的重要方法。只是目前关于此联系的研究结果尚未达成统一，提示后续需要更科学严谨的横、纵向研究来进一步探索UBE3A与ASD发病的相关性。

参考文献：

[1]BaioJ,WigginsL,ChristensenDL,etal.Prevalenceofautismspectrumdisorderamongchildrenaged8yearsautismanddevelopmentaldisabilitiesmonitoringnetwork,11Sites,UnitedStates,2014[J],MMWRSurveillSumm,2018,67(6)：1—23.

[2]MonclaA,MalzacP,LivetMO,etal,AngelmansyndromeresultingfromUBE3Amutationsin14patientsfromeightfamilies：clinicalmanifestationsandgeneticcounsellingfj].MedGenet,1999,36(7):554—560.

[3]UrracaN,ClearyJ,BrewerV,etal.Theinterstitialduplication15qll.2ql3syndromeincludesautism,mildfacialanomaliesandacharacteristicEEGsignature[J].AutismRes,2013,6(4):268-279.

[4]XuX,LiC,GaoX,etal.ExcessiveUBE3Adosageimpairsretinoicacidsignalingandsynapticplasticityinautismspectrumdisorders[J],CellRes,2018,28(1)：48-68.

[5]JamesMA,LeeJH,KlingelhutzAJ,HPV16E6associatedhTERTpromoteracetylationisE6APdependent,increasedinlaterpassagecellsandenhancedbylossofp300[J].IntJCancer,2006,119(8):1878-1885.

[6]SunJ,ZhuG,LiuY,etal.UBE3AregulatessynapticplasticityandlearningandmemorybycontrollingSK2channelendocytosis[J].CellRep,2015,12(3):449—461.

[7]LeeSY»RamireJ,FrancoM,etal.Ube3a,theE3ubiquitinligasecausingAngelmansyndromeandlinkedtoautism,regulatesproteinhomeostasisthroughtheproteasomalshuttleRpnlOEJ].CellMolLifeSci,2014,71(14)；2747-2758.

[8]SmithSE,ZhouYD,ZhangG,etal.IncreasedgenedosageofUbe3aresultsinautismtraitsanddecreasedglutamatesynaptictransmissioninmice[J].Sci.Transl.Med,2011,3(103):103-197.

[9]KrishnanV,StoppelDC,NongY,etal.AutismgeneUbe3aandseizuresimpairsociabilitybyrepressingVTACblnl.EJ].Nature,2017,543(7646)：507~512.

[10]ElegheertJ,KakegawaW,ClayJE,etal.StructuralbasisforintegrationofGluDreceptorswithinsynapticorganizercomplexes[J],Science♦2016,353(6296):295-299.

[11]JamalI,KumarV,VatsaN,etal.RescueofalteredHDACactivityrecoversbehaviouralabnormalitiesinamousemodelofAngelmansyndrome[J].Neurobiol.Dis,2017,105:99-108.

[12]lossifovI,O'RoakBJ,SandersSJ,etal.Thecontributionofdenovocodingmutationstoautismspectrumdisorder[J],Nature,2014♦515(7526)：216—221.

[13]YiJJ,BerriosJ,NewbernJM,etal.AnAutismLinkedMutationDisablesPhosphorylationControlofUBE3AD1Cell,2015,162(4).795-807.

[14]ScolesHA,UrracaN,ChadwickSW,etal.Increasedcopynumberformethylatedmaternal15qduplicationsleadstochangesingeneandproteinexpressioninhumancorticalsamples[J].Autism,2011,2(1)：19

[15]赵雪.中国汉族人群儿童孤独症的UBE3A基因突变筛查[D].上海交通大学.2015.

[16]NurmiEL,BradfordY,ChenY,etal.LinkagedisequilibriumattheAngelmansyndromegeneUBE3Ainautismfamilies]J],Genomics?2001,77(1—2)：105—113.

[17]NurmiEL,AminT,OlsonLM,etal.Denselinkagedisequilibriummappinginthe15qllq!3maternalexpressiondomainyieldsevidenceforassociationinau-MolPsychiatry,2003,8(6)：624—634.

[18]GuffantiG,StrikLieversL,BonatiMT,etal.RoleofUBE3AandATP10Agenesinautismsusceptibilityregion15qll—ql3inanItalianpopulation：apositivereplicationforUBE3A[J].PsychiatryRes

[19]SchaafCP,SaboA,SakaiY,etal.OligogenicheterozygosityinindividualswithhighfunctioningautismspectrumdisordersCJ].HumMolGenet,2011,20(7)：3363一3375・

[20]KatoC,TochigiM,OhashiJ,etal.Associationstudyofthe15qll~ql3maternalexpressiondomaininJapaneseautisticpatientsEJ].AmJMedGenetBNeuro-psychiatrGenet,2008,147(7)；1008—1012.

[21]SebatJ,LakshmiB,MalhotraD,etal.Strongassociationofdenovocopynumbermutationswithautism[JIScience,2007,316(5823)：445—449.

[22]LossieAC,WhitneyMM,AmidonD,etal.DistinctphenotypesdistinguishthemolecularclassesofAngelmansyndrome[JJ.JMedGenet.2001,38(12)：834-845.

[23]PetersSU,BeaudetAL,MadduriN,etal.AutisminAngelmansyndromeimplicationsforautismresearch[J].ClinGenet,2004,66(6)：530—536.

[24]BonatiMT,RussoS,FinelliP,etal.EvaluationofautismtraitsinAngelmansyndrome。