2025年3月11日，首尔东国大学化学系Jongpil Kim团队在Nature communications发表“PTN activity in quiescent neural stem cells mediates Shank3 overexpression-induced manic behavior”，揭示了静息神经干细胞中的PTN活性介导了Shank3过表达诱导的躁狂行为。
躁狂症是一种复杂的精神性疾病，其特征包括过度活跃、情绪高涨以及焦虑感降低。尽管对躁狂发作的机制进行了广泛研究，但控制躁狂病理发生的分子靶点仍大部分不清楚。在本研究中，通过单细胞RNA测序分析，发现由于静息神经干细胞（qNSC）数量增加，在Shank3过表达的躁狂小鼠模型中出现了异常的成年神经发生。作者发现由失调的qNSC释放的过多的多效生长因子（Pleiotrophin, PTN）是导致Shank3过表达小鼠模型中躁狂样表型的关键因素。通过药理学和分子手段抑制qNSC中的PTN，可以修复异常的神经发生，并有效缓解Shank3过表达小鼠中观察到的躁狂样社交缺陷。作者的研究提出了一种调节qNSC中PTN活性的方法，并将其作为躁狂发展的一个有前景的治疗靶点。
图一 Shank3过表达躁狂样小鼠模型中异常神经发生的鉴定
先前的研究表明，SHANK3基因的过表达是躁狂症的主要风险因素之一，这一点在小鼠模型中观察到的躁狂样症状得到了证实。最初，利用单细胞RNA测序分析了8周龄Shank3 OE小鼠侧脑室下区（SVZ）成年神经发生的转录动态，以研究其是否与躁狂行为相关。在整合scRNA-seq数据集后，作者对对照组和Shank3 OE小鼠中的神经干细胞（NSC）类型进行了识别和重新聚类，并根据NSC标记物将其分为四类神经发生群体：静息神经干细胞（qNSCs）、活跃神经干细胞（aNSCs）、瞬时扩增前体细胞（TAPs）和神经母细胞（NBs）。随后，追踪了Shank3 OE成年小鼠脑中的细胞谱系。有趣的是，从qNSCs到神经母细胞的转录动态显示，在Shank3 OE小鼠脑中，qNSCs数量增加，而aNSCs和神经母细胞群体数量减少。为了研究这些神经发生密度的表型变化是否由qNSCs和aNSCs的有丝分裂活性改变引起，作者对对照组和Shank3 OE NSCs中有丝分裂细胞阶段转换特征进行了基因集富集分析。与有丝分裂相关的基因在Shank3 OE NSCs中表现出负向富集。此外，在深度静息NSC特征的模块评分分析中，Shank3 OE中的qNSCs显示出比对照组更高的特征评分，这表明异常的神经发生是由增强的qNSCs状态引起的，从而导致Shank3过表达躁狂小鼠的神经发生潜力降低。
图二 验证Shank3过表达小鼠SVZ和齿状回中静息神经干细胞的活性
为了验证Shank3过表达躁狂小鼠中异常的神经发生和增强的qNSCs活性，作者进行了免疫荧光实验，以检测10周龄Shank3过表达小鼠SVZ和齿状回颗粒下层区域的成年神经发生过程。首先确认了Shank3在Shank3 OE小鼠脑SVZ区域中的表达显著增加。此外，在SVZ区域中，发现Shank3 OE小鼠脑中Gfap+/Sox2+/Id2+和 Gfap+/Nestin+/Sox2+qNSCs的数量显著增加。同时，Gfap+/Sox2+/Ki67-、Gfap+/Sox2+/Dlx2-和Gfap+/Nestin+/EdU- qNSCs的数量显著增加，而Gfap+/Sox2+/Ki67+和Gfap+/Sox2+/Dlx2+活跃神经干细胞的数量减少。此外，在Shank3过表达小鼠的SVZ区域中，Dcx+/EdU+神经母细胞和Dcx+/EdU- 有丝分裂后神经母细胞的数量显著减少。同样地，在Shank3 OE小鼠的SGZ区域中，观察到qNSCs数量显著增加，特别是Gfap+/Nestin+/Sox2+放射状胶质细胞的数量增加。然而，以Gfap+/Nestin+/Sox2+非放射状胶质细胞、Ki67+/EdU+和Dcx+/Psa-ncam+细胞为特征的aNSCs数量在Shank3 OE小鼠中显著减少。这表明Shank3过表达导致躁狂脑中异常的成年神经发生。为进一步研究从qNSCs来源的NSCs再生潜力，使用EdU进行脉冲追踪实验以标记成年神经发生期间的NSCs。在EdU注射后7天，作者也发现Shank3 OE小鼠中EdU+、Dcx+神经母细胞的数量减少。此外，在替莫唑胺（TMZ）治疗21天后，对照组小鼠的aNSCs数量恢复至基线水平的约80%，而Shank3 OE小鼠的恢复仅限于基线水平的50%左右。然而确认在TMZ治疗后，Shank3 OE小鼠与对照组小鼠之间的总体qNSC群体没有显著变化。这些结果表明，Shank3 OE小鼠中受损的恢复能力似乎与qNSCs的休眠状态有关，而不是由于TMZ治疗期间qNSCs的丢失。
图三 敲低PTN可挽救Shank3过表达小鼠的躁狂样病理特征
Shank3过表达与躁狂症相关，而PTN在qNSCs中的过度分泌被认为是导致这种病理状态的关键因素。通过向8周龄Shank3过表达小鼠的侧脑室注射Ptn-shRNA来抑制PTN。结果显示，在SVZ和DG区域中，Gfap+/Sox2+ qNSCs数量减少，Ki67+/Nestin+ aNSCs数量增加，表明PTN抑制有效减少了qNSCs的异常状态，并促进了正常神经发生。在PTN抑制后，新生神经元的分支点总数显著减少，说明PTN抑制恢复了异常的突触发育。PTN抑制显著降低了Shank3过表达小鼠的运动活动量，并改善了悬尾试验和强迫游泳试验中的不动时间，这两者都是躁狂样行为的指标。社交互动测试显示，PTN抑制显著增加了Shank3过表达小鼠的社会调查时间和社交偏好，表明PTN抑制能够缓解躁狂样社会行为。使用CRISPR-Cas9系统通过Hes1或Aldh1l1启动子驱动的qNSC或星形胶质细胞特异性病毒进行PTN敲低。Hes1启动子驱动的PTN敲低明显减少了qNSCs的数量并增加了aNSCs数量，同时提高了SVZ和SGZ区域中DCX阳性细胞的数量。Aldh1l1启动子驱动的PTN敲低未改变qNSCs、aNSCs或神经母细胞的数量，表明PTN对神经发生的调节作用是qNSC特异性的。PTN通过PTPRZ1-AKT信号通路影响神经发生，但在双相障碍模型中，该通路可能失调，导致异常神经发生和双相症状。研究发现，在双相障碍模型中，PTN水平及其下游AKT信号通路的激活程度与野生型对照不同，这可能是由于神经发生环境的变化导致的。敲低PTN能够有效逆转Shank3过表达引起的qNSCs异常状态和成年神经发生的异常，并显著改善躁狂样行为。
综上所述，作者的研究加深了对导致躁狂行为的分子和细胞机制的理解，并为治疗躁狂症及相关情绪障碍提供了潜在的治疗靶点。通过调控静息神经干细胞中的PTN活性，可能可以调节异常的神经发生并缓解躁狂症状，为开发针对双相情感障碍及其他以躁狂发作为特征的情绪障碍的靶向有效治疗方案提供理论基础。
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57699-5