ATRX基因缺失如何重塑小鼠大脑？自闭症谱系障碍模型的脑结构改变及其机制解析

《Autism Research》：Altered Brain Structure in an ATRX-Deficient Mouse Model of Autism Spectrum Disorder

本研究通过高分辨率MRI系统揭示了前脑兴奋性神经元ATRX缺失如何导致小鼠脑结构广泛重塑：雄性小鼠表现出性别特异性小头畸形，而两性均出现海马体和小脑体积减小、皮层后部区域体积增大的现象。文章首次报道了ATRX（一种染色质重塑蛋白）缺失对保留其表达区域（如丘脑、中脑）产生的非细胞自主性影响，并提出了皮层-丘脑-小脑回路连接异常可能是该模型自闭症样行为的神经基础。这些发现为理解ATRX综合征及自闭症谱系障碍（ASD）的神经生物学机制提供了重要线索。

　　

ATRX基因缺陷小鼠模型的脑结构改变

1 引言

Alpha-地中海贫血X连锁智力障碍（ATR-X）综合征是由ATRX基因突变引起的一种疾病，其特征包括智力障碍（ID）、自闭症以及一系列脑结构异常（如小头畸形）。ATRX基因编码一种大型染色质重塑蛋白，对维持基因组完整性和异染色质结构至关重要，也被归类为自闭症谱系障碍（ASD）的高风险基因。患者表现出广泛的神经发育迟缓，部分患者报告有小头畸形。此前，研究团队构建了一个在小鼠胚胎期（E11.5）特异性敲除前脑兴奋性神经元中Atrx基因的模型（Atrx^NEXCre）。该模型小鼠成年后表现出恐惧记忆受损、多动和重复行为等核心ASD特征，并且雄性小鼠还表现出听觉感觉门控缺陷和社会记忆缺陷。本研究旨在利用高分辨率磁共振成像（MRI）系统表征与该模型行为异常相关的脑结构变化，以期将脑结构改变与相应的行为联系起来，并深入理解ATRX缺陷导致ASD表型的神经生物学基础。

2 材料与方法

研究使用了条件性敲除小鼠模型。通过将携带Atrx^loxP等位基因的雌鼠与表达NEX-Cre的雄鼠交配，获得在前脑兴奋性神经元中缺失ATRX的Atrx^NEXCre敲除小鼠及其对照。对10-13月龄的小鼠进行离体脑MRI扫描，使用7T磁共振仪获取各向同性分辨率为40μm的T2加权三维图像。通过图像配准和非线性变换，将个体脑图像配准到一个群体平均图谱上，并利用变形场的雅可比行列式来量化体素水平的体积差异。使用包含282个分割结构的现有MRI图谱计算各脑区的体积，并通过线性模型评估基因型影响的显著性，错误发现率（FDR）<0.10被认为具有统计学意义。

3 结果

3.1 Atrx^NEXCre小鼠的性别特异性小头畸形和区域性脑改变

MRI分析显示，与对照组相比，12月龄的雄性Atrx^NEXCre小鼠出现显著的小头畸形（FDR=0.0065），而雌性敲除小鼠则未表现出全脑体积差异。这种雄性特异性的脑容量减少与该模型雄性小鼠更严重的神经行为表型相符，也与ASD诊断的男性主导现象一致。此外，两性敲除小鼠在12月龄时均表现出体型减小，包括体重和鼻尾长度减少。在雄性小鼠中，脑容量与体型大小显著相关，但在雌性突变小鼠中则不相关，提示存在性别特异性的神经发育缩放机制。

为了排除全脑体积差异的影响，后续分析采用相对区域体积。在雄性中，188个脑亚区中有45个区域的相对体积减小，34个区域增大；雌性中也观察到类似模式，37个区域减小，41个区域增大。在两性中，体积减少主要集中在小脑和海马体（对运动协调和记忆至关重要的区域），而体积增大主要发生在皮层区域。纤维束则表现出既有增大也有减小的双向变化。

3.2 海马和皮层区域的超微结构差异

海马结构在雄性和雌性Atrx^NEXCre小鼠中均显示出显著的相对体积减少，这与该模型先前报道的记忆缺陷相一致。进一步的海马亚区分析表明，下托、CA1、CA2和CA3区域显著减小，而齿状回未受影响。

与此相反，总同型皮层在雄性Atrx^NEXCre小鼠中表现出相对体积的显著增加（FDR=0.0005），而在雌性中未观察到。皮层的亚区分析显示，在雄性中，前扣带回、下边缘、压后皮层、听觉区、后顶叶联合区、嗅周区和视觉区的体积显著增加；在雌性中，压后皮层、嗅周区、后顶叶联合区和视觉区体积增加，而躯体运动、额极和躯体感觉皮层区域体积显著减小。

两性中相对体积增加最显著的区域集中在压后皮层、后顶叶联合区和视觉皮层。

3.3 保留ATRX表达脑区的结构改变

研究还观察到了在保留ATRX表达的多个脑区发生显著结构变化。具体而言，与对照组相比，Atrx^NEXCre小鼠的纹状体、丘脑和中脑体积显著增大。下丘脑体积仅在雌性敲除小鼠中显著增大，而后脑在两性中均未检测到显著的体积变化。

多个小脑亚区也显示出结构改变，包括小脑皮层、小脑活树（白质）和深部小脑核团。值得注意的是，顶核在雌性敲除小鼠中相对体积增加。尽管存在这些局部增加，但总小脑体积在雄性和雌性中均显著减小。这种减少伴随着小脑纤维束的改变：小脑下脚在雄性中显著减小，而小脑中脚在雌性中增加。重要的是，连接小脑与中脑并将信号通过齿状核传递到丘脑腹外侧核和红核的主要通路——小脑上脚，在两性突变小鼠中均显著减小。对Atrx^NEXCre; SUN1-GFP Cre报告小鼠脑切片的ATRX免疫荧光分析证实，上述所有区域均不表达Cre重组酶并保留了ATRX表达。这些在保留ATRX区域出现的意外结构变化表明，发育中前脑的ATRX缺陷可能通过间接的、非细胞自主的方式影响相互连接脑区的形态。

3.4 ATRX缺陷对纤维束的双向影响

除了与小脑相关的纤维束异常外，研究还观察到Atrx^NEXCre小鼠主要前脑纤维束的显著改变。负责半球间通讯的关键结构胼胝体，在雄性和雌性敲除小鼠中均显示出相对体积的显著减小。同样，对海马连接至关重要的穹窿系统在两性中也显著减小。

然而，并非所有纤维束体积都减小。前连合颞叶支在雄性中相对体积显著增加，而前连合嗅叶支在两性中均显著增加。此外，后连合在雌性中体积增加。

组织学分析进一步支持了这些发现。脑切片检查证实，3月龄时两性小鼠的胼胝体厚度均显著减小。

4 讨论

本研究表明，前脑兴奋性神经元中ATRX的缺失会导致小鼠大脑广泛且区域特异性的结构改变。雄性和雌性Atrx^NEXCre小鼠在皮层后部区域、丘脑、纹状体和中脑均表现出相对体积增加，同时海马体、小脑及相关纤维束体积减小。这些发现表明，ATRX缺陷不仅破坏了特定脑区，还影响了全局神经连接，这可能是该模型中观察到的认知和自闭症相关行为的神经基础。

MRI分析显示，雄性Atrx^NEXCre小鼠脑容量减小与体型减小相关。尽管两性突变小鼠体型都减小，但仅雄性表现出总脑容量的显著减少，提示存在性别依赖的脆弱性。Atrx^NEXCre小鼠海马体和穹窿的体积减少与其记忆和认知缺陷一致，这在ATR-X综合征中也有报道。

分析还揭示了敲除小鼠压后皮层、后顶叶联合区和视觉皮层区域的体积显著增加。压后皮层与社会记忆缺陷和重复行为有关，而后顶叶皮层参与空间感知和工作记忆。与此一致，Atrx^NEXCre小鼠表现出认知和社会记忆缺陷以及重复行为。视觉皮层的改变常与ASD中的感觉处理缺陷相关。此外，还观察到皮质结构的性别差异，例如雄性听觉皮层体积增加及相关的感觉处理缺陷，这与临床观察到的ASD性别差异一致。

有趣的是，研究发现了保留ATRX表达脑区的结构改变，表明前脑兴奋性神经元中ATRX缺陷可以通过破坏连接或改变发育信号产生非细胞自主性效应。体积变化的方向与ATRX的表达模式无关。在ATRX缺失的区域中，皮层体积增加而海马体减小；相反，在保留ATRX的区域中，纹状体、中脑和丘脑体积相对增加，而小脑体积减小。这些发现提示，ATRX缺失的直接效应以及对相互连接脑区的间接、非细胞自主性影响共同导致了神经解剖学表型。主要纤维束的改变进一步突显了Atrx^NEXCre小鼠中连接性的破坏。

研究结果支持小脑改变可能是ASD行为基础的观点。小脑与皮层、海马体和杏仁核有功能连接，对认知和情绪功能很重要。小脑结构缺陷在包括ASD、注意力缺陷多动障碍（ADHD）和ID在内的神经发育障碍中均有报道。在Atrx^NEXCre小鼠中，相对脑体积减少最显著的是齿状核，这是一个连接小脑与前脑的深部小脑核团，这一发现在许多其他ASD小鼠模型中也有看到。连接小脑与中脑和丘脑的小脑上脚也显示出显著的相对体积减小。先前在小鼠中的研究表明，皮层-丘脑-小脑连接性的破坏会导致ASD特征。综合来看，Atrx^NEXCre小鼠中发现的相对体积改变与异常的皮层-丘脑-小脑连接性相一致。

本研究的局限性在于其聚焦于体积MRI，无法直接评估功能或结构连接性。未来的功能MRI和扩散张量成像研究对于阐明ATRX缺失对脑网络的影响至关重要。此外，研究这些变化在整个发育过程中的演变可以识别干预的关键期。进一步研究驱动区域体积增加的机制，特别是在感觉皮层，可能为理解ASD中性别特异性的感觉处理缺陷提供见解，并为未来的治疗策略提供信息。

总之，研究结果突显了ATRX在塑造脑结构和连接性中的关键作用。Atrx^NEXCre小鼠中观察到的皮层、海马体、小脑和皮层下区域的改变反映了ASD和ID的关键特征。这些结果支持使用该模型来研究自闭症及相关神经发育障碍的神经基础。