在腦科學領域，許多不同的課題往往都可以總結為一個或幾個大的問題，對於許多精神病學的問題都可以總結為一個大問題，那就是

到底病人腦細胞神經元之間的連線與正常人相比產生了哪些變化。

影響這一問題的因素有許多，其中十分重要的一點就是相鄰兩個神經元之間功能性蛋白的表達量是否還正常。

SHANK3就是這樣一個影響突觸間相互連線的功能性蛋白，Huda Zoghbi博士和Jimmy L。 Holder Jr。 博士和他們的同事在仔細研究了SHANK3之後，提出關於SHANK3的新見解。

兩神經元突出間的遞質及資訊傳遞過程（示意圖）

SHANK3基因坐落在人類22號染色體（22q13）上，當22號染色體上包含SHANK3的一條小段區域缺失後，不管這一缺失是發生在哪條鏈上亦或者是兩條鏈都出現缺失，都會導致Phelan-McDermid綜合徵的產生，同時SHANK3基因出現了某些突變同樣也會導致這一綜合徵。

而當SHANK3基因出現了多個複製時，也會出現名為SHANK3 duplication syndrome的疾病，病人往往會表現出過興奮過度，雙向情感障礙，以及癲癇。來自貝勒醫學院兒科的助理教授Holder表示，當人們體內的SHANK3基因少了一個複製時，他們體內的SHANK3蛋白表達量相較正常人也會出現減半的現象。

而當病人Shank3蛋白在體內只有正常人一半的表達量時，其生理功能必然會受到許多影響，再加上由於Shank3蛋白上有著許多不同蛋白的結合位點，所以神經元突觸的功能障礙對Shank3蛋白的缺少表現出多面性。

在Shank3蛋白缺少的臨床病人身上時，則會依據每個人的不同情況出現不同程度的智力障礙（intellectual disability），語言能力缺失或發育遲緩（delayed or absent speech），

孤獨症譜系障礙

（symptoms of autism spectrum disorder），肌張力減退，運動能力減退，以及癲癇等症狀。

在科學家們建立的SHANK3基因敲除的小鼠模型中，小鼠腦部神經元細胞的突觸間資訊傳遞過程也出現了與病人類似的問題，同時也導致小鼠出現了一系列運動障礙，其中包括社交反應改變，運動協調能力缺陷以及重複刻板行為等，這與病人的臨床表現相吻合。比如，2011年，來自美國杜克大學、葡萄牙科英布拉大學、麻省理工學院及博德研究所（Broad Institute）等多家機構的研究人員證實突觸後蛋白SHANK3在正常的神經連線發育中起關鍵性的作用，Shank3基因突變可導致小鼠出現自閉症樣行為及紋狀體異常。相關研究論文發表在《自然》（Nature）雜誌上。領導這一研究的是著名華人學者、當時還在杜克大學神經生物學系教授馮國平（Guoping Feng），現在就職於麻省理工學院。該文章中，研究人員發現Shank3 被刪除的小鼠表現出幾個自閉症特徵，包括社會行為缺陷以及異常紋狀體突觸和異常皮質-紋狀體迴路。這是科學家們第一次獲得Shank3突變與自閉症樣行為相關的直接證據。隨後，Shank3與自閉症的相關研究越來越多，提供了更多的證據支援。

Shank3蛋白上有多個蛋白結合位點，參與了許多十分重要的訊號通路，在SHANK3缺失的動物模型中這些訊號通路確實也表現出了不同程度的紊亂。

不過由此也就出現了一個問題，

SHANK3上不同蛋白結合位點的突變是否會導致不同表型呢？每一個突變位點與表型之間的關係是否是相互獨立的呢？換句話說，是不是SHANK3基因上不同區域的突變會導致不同的臨床表現呢？

帶著這個問題，研究者們構建了一個帶有SHANK3基因特殊突變的小鼠SHNAK3-S685I，其模擬的是在一位自閉症病人身上發現的SHANK3基因突變型別。

這位病人體內含有兩個SHANK3基因複製，其中一個SHANK3基因的685位氨基酸殘基由於一個鹼基的改變出現了異常，從而導致Shank3蛋白生理功能出現異常。

帶有SHANK3-S685I的小鼠與Shank3蛋白完全缺失小鼠的不同，其表現出增加的社交優勢以及頻繁的社交性理毛，

卻並沒有出現運動障礙，興奮性增加或是異常的自我理毛現象，

這也就意味著這些沒有出現的表型可能是由其他與SHANK3結合的蛋白，及蛋白影響的訊號通路所決定的。

“這一發現使我們想出了一種挽救Shank3生理活性的新策略“Holder教授表示，”我們認為，在SHANK3基因單複製缺失的小鼠中，比起想辦法恢復Shank3下游的一條或某幾條訊號通路，或許使Shank3蛋白的表達量恢復至正常水平更能夠解決問題並減輕部分或全部不正常表型。“

好訊息：激酶能夠調節SHANK3蛋白穩定性

Holder教授和Zoghbi教授以及他們的團隊由此提出了在單複製缺失的Phelan-McDermid綜合徵病人體內，增加Shank3蛋白表達量的想法。

不過不同於以往在致病基因上進行操作的策略，他們將目光投向了細胞內調節Shank3蛋白穩定性的機制中，並特別關注於人體內的各種蛋白激酶。

ERK2磷酸化Shank3並激活泛素化降解過程

“我們將重點放在尋找那些能夠給蛋白質加上磷酸基團修飾的激酶上，因為之前的研究表明體內的Shank3蛋白多個位點都能被磷酸化，磷酸化修飾作為體內翻譯後修飾手段中十分常見的一種，其能夠調節蛋白的穩定性。而我們對於磷酸化修飾過程又瞭解地較為透徹，比較清楚地知道一般磷酸化過程是被哪些分子調控的。“Holder教授稱。

因此，研究者們透過

全蛋白激酶組水平siRNA篩選法（kinome-wide siRNA screen）

，成功地鑑定出了一系列能夠調節Shank3蛋白穩定性的激酶，特別是其中MEK/ERK2訊號通路中的激酶，能夠使得Shank3蛋白穩定性降低。

接著，他們發現該訊號通路中的ERK2蛋白能夠與Shank3蛋白中的三個氨基酸殘基結合，使Shank3蛋白磷酸化並激活多聚泛素化降解（poly-ubiquitination-dependent degradation）過程，使得Shank3蛋白降解。

這是目前已知的第一個能夠磷酸化Shank3蛋白並使其降解的分子。

同時他們也在小鼠模型中進行了驗證，在基因層面上刪除ERK2基因，或使用藥物抑制ERK2激酶活性都能夠增加小鼠體內Shank3的蛋白含量。

希望：使SHANK3表達量增加或成為未來新療法

這一結果充分鼓舞了研究者們，他們認為未來將會有方法能夠使得病人體內的Shank3蛋白表達量提高至正常水平。

“透過操控ERK2激酶，我們已經能夠部分提升Shank3的蛋白表達量“Zoghbi教授說，”

我們認為篩選出其他影響Shank3蛋白穩定性的調控因子從而使Shank3表達量恢復正常水平是十分有必要的。

這預示了一種十分有潛力的療法，就像如今的“雞尾酒療法”一樣，透過同時調節不同的調控因子從而使SHANK3蛋白恢復至正常水平。“

在基因層面上篩選Shank3蛋白穩定性調節因子的策略未來或許還可以應用到其他劑量依賴性基因（dose-sensitive gene）相關疾病上，併成為一種有潛力的療法。

Holder教授稱，“或許這就是為什麼許多精神類疾病難以治療的原因，它們並不是由整個基因缺失引起的，而是由單個基因上一個或者幾個鹼基突變導致的，例如在SHNAK3突變體S685I中，一個鹼基的缺失導致了一個氨基酸的突變卻影響了腦內10-20%的神經元突觸，這已經足以擾亂神經元之間的資訊傳遞。”

參考文獻：

1。 Li Wang， Carolyn J。 Adamski， Vitaliy V。 Bondar， Evelyn Craigen， John R。 Collette， Kaifang Pang， Kihoon Han， Antrix Jain， Sung Y。 Jung， Zhandong Liu， Richard N。 Sifers， J。 Lloyd Holder， Huda Y。 Zoghbi。 A kinome-wide RNAi screen identifies ERK2 as a druggable regulator of Shank3 stability。 Molecular Psychiatry， 2019； DOI： 10。1038/s41380-018-0325-9

2。 João Peça， Cátia Feliciano， Jonathan T。 Ting， Wenting Wang， Michael F。 Wells， Talaignair N。 Venkatraman， Christopher D。 Lascola， Zhanyan Fu， Guoping Feng。 Shank3 mutant mice display autistic-like behaviours and striatal dysfunction。 Nature。 2011 Apr 28； 472（7344）： 437–442。 doi： 10。1038/nature09965

作者資訊

原作者：Ana María Rodríguez, Ph.D.

編譯：Kagami

（brainnews創作團隊成員）

校審/排版：Simon

（brainnews編輯部）

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