Mô hình động vật đột biến thụ thể GABA
Bằng chứng trực tiếp về rối loạn chức năng GABA ở chứng tự kỷ là từ việc chuột mang đột biến tiểu đơn vị của thụ thể GABA biểu hiện suy giảm khả năng hòa đồng và hành vi lặp đi lặp lại thuộc về các triệu chứng cốt lõi của ASD. Delahanty và cộng sự (2011) lần đầu tiên chứng minh rằng đột biến trong ống nghiệm chứa tiểu đơn vị β3 α1β3γ2 hoặc α3β3γ2 GABA-AR cho thấy thụ thể chức năng và dòng điện toàn tế bào giảm. Bằng chứng trong cơ thể sống cho thấy một mô hình chuột mang tiểu đơn vị β3 GABA-AR trong đó các gốc serine 408 và 409 (S408/9) bị đột biến thành alanine (S408/9A) và đồng hợp tử S408/9A biểu hiện các triệu chứng cốt lõi của ASD, bao gồm tăng hành vi lặp đi lặp lại và giảm tương tác xã hội, và thay đổi cấu trúc gai dendrite và do đó giảm ức chế trương lực và tăng ức chế pha ( Vien và cộng sự, 2015 ). Những kết quả này cho thấy khiếm khuyết GABA-AR cụ thể gây ra tác động rủi ro liên kết vùng nhân đôi tự kỷ 15q11–q13 với chứng tự kỷ. Tín hiệu GABAergic bị suy yếu trong quá trình phát triển não là một sự kiện quan trọng liên quan đến bệnh phát triển thần kinh. Ngoài ra, chuột nhân đôi 15q (một mô hình cho ASD với nhiễm sắc thể người nhân đôi 15q11–q13 của cha) biểu hiện sự tăng cường dài hạn do hoạt động tạo điều kiện (LTP) của các khớp thần kinh glutamate trên các tế bào thần kinh tháp lớp 5 và giảm số lượng các khớp thần kinh ức chế, cho thấy sự thay đổi cân bằng E/I có liên quan đến chứng tự kỷ ( Saitow và cộng sự, 2020 ).
Mô hình gen đơn của ASD
Rối loạn chức năng GABAergic cũng có thể là hậu quả hạ lưu của các đột biến trong gen và không liên quan trực tiếp đến quá trình truyền GABA vì sự phát triển và chức năng thích hợp của các khớp thần kinh GABA phụ thuộc vào nhiều protein truyền tín hiệu và protein khung. Các gen ứng cử viên hiện được biết đến của ASD chứa các yếu tố phiên mã, protein khung, thụ thể và protein đường dẫn truyền tín hiệu ( Vorstman và cộng sự, 2017 ) (Bảng 1). Các bằng chứng tích lũy đã chỉ ra rằng một số gen ứng cử viên hiện tại gây ra rối loạn chức năng truyền GABAergic bằng cách ảnh hưởng đến phiên mã của các tiểu đơn vị GABA-AR, sự phát triển của khớp thần kinh GABAergic, sự truyền qua trung gian cấu trúc khớp thần kinh. GABA hoạt động như một chất dẫn truyền thần kinh kích thích trong quá trình phát triển phôi ( Ben-Ari, 2002 ). Người ta thấy rằng mô hình tự kỷ do tiếp xúc với VPA trước khi sinh và mô hình ASD của hội chứng X mỏng manh (Fragile X) có sự dịch chuyển ức chế GABA kích thích bất thường trong quá trình sinh nở, với mức clorua nội bào tăng cao và duy trì mức GABA kích thích cao hơn, thúc đẩy hoạt động của axit glutamic và hoạt động dao động gamma ( Tyzio và cộng sự, 2014 ). Vùng đồi hải mã CA3 của chuột BTBR T+tf/J, một mô hình động vật mắc chứng tự kỷ vô căn, cho thấy dao động mạng lưới mạch lạc bị suy yếu ở giai đoạn đầu sau sinh, có thể là do giảm khả năng kích thích nội tại của các tế bào chính CA3 và giảm hoạt động phân luồng ở các tế bào thần kinh trung gian GABAergic chiếu tới các tế bào chính ( Cellot và cộng sự, 2016 ). Những kết quả này chỉ ra rằng sự chuyển đổi từ dẫn truyền thần kinh ức chế sang kích thích trong quá trình phát triển não sớm có thể là cơ chế bệnh lý của sự mất cân bằng tỷ lệ E/I và rối loạn GABA liên quan đến chứng tự kỷ. Ngược lại, người ta thấy rằng các mô hình u xơ thần kinh loại 1 (NF1) cho thấy sự dẫn truyền GABAergic tăng lên, trong khi mức GABA giảm được quan sát thấy ở những bệnh nhân mắc ASD ( Gonçalves và cộng sự, 2017 ). Những phát hiện không nhất quán có thể là do sự dẫn truyền GABAergic và sự phân bố không cân xứng các thụ thể GABA theo cách cụ thể ở một vùng não. Do đó, các vùng não cụ thể và cửa sổ thời gian phát triển đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu cơ chế của GABA liên quan đến chứng tự kỷ.
BẢNG 1
Biến đổi hệ thống GABA trong mô hình gen đơn của ASD.
| Gen ứng cử viên | Mô hình động vật | Cơ chế liên quan đến GABA | Những phát hiện chính | Thẩm quyền giải quyết |
| FMR1 | Chuột Fmr1 KO | Tiểu đơn vị GABA-A | Điều hòa giảm dòng điện GABA-A. Điều hòa giảm các tiểu đơn vị thụ thể GABA-A α5 và δ | Curia và cộng sự (2009) |
| Chuột Fmr1 KO | Dẫn truyền thần kinh GABAergic ở hạch hạnh nhân | Giảm IPSC pha hạnh nhân và dòng ức chế bổ | Olmos-Serrano và cộng sự (2010) | |
| Chuột Fmr1 KO | Tiểu đơn vị GABA-A | Tăng biểu hiện VGAT ở MNTB | Rotschafer và cộng sự (2015) | |
| Ngưỡng phản ứng nâng cao đối với các kích thích nhấp và âm thanh | ||||
| Chuột Fmr1 KO | Tiểu đơn vị GABA-A | Giảm biểu hiện của các tiểu đơn vị β1 và δ GABA-AR trong mức mRNA và protein ở vùng đồi hải mã (P22). Giảm biểu hiện của các tiểu đơn vị α2 GABA-AR trong mức protein | Sabanov và cộng sự (2017) | |
| Chuột Fmr1 KO | Dẫn truyền thần kinh GABAergic ở vùng đồi hải mã | Giảm biên độ hồi hải mã của eiPSC và giảm biên độ và tần số của IPSC tự phát | Sabanov và cộng sự (2017) | |
| MeCP2 | Mecp2 tm1.1Chim] | Tiểu đơn vị GABA-A | Giảm mức VGAT. Giảm mức tiểu đơn vị GABA-AR sau synap α2 và α4 | Medrihan và cộng sự (2008) |
| Chuột Mecp2 -null | Dẫn truyền thần kinh GABAergic | Phản ứng đơn nhất được gợi ra bởi kích thích tối thiểu đã giảm ở VB nhưng tăng ở RTN của các đột biến | Zhang và cộng sự (2010) | |
| Chuột Mecp2 -null | Dẫn truyền thần kinh LC GABAergic | Sự ức chế GABAergic sau synap thiếu hụt. Giảm tần số và biên độ của mIPSC GABA-Aergic trong LC. | Jin và cộng sự (2013) | |
| Mecp2tm1-1Chim | Mức độ GABA | Giảm mức GABA ở hồi hải mã, não giữa và tiểu não | El-Khoury và cộng sự (2014) | |
| Mecp2 với đột biến A140V | Dẫn truyền thần kinh GABAergic ở vùng đồi hải mã | Tăng điện thế màng nghỉ dương và tăng tần số bắn AP do tiêm dòng điện khử cực vào tế bào thần kinh tháp CA1 ở hồi hải mã | Ma và cộng sự (2014) | |
| Chuột Mecp2 -null | Dẫn truyền thần kinh NTS GABAergic; Tiểu đơn vị GABA-A | Giảm biên độ sIPSC, tần số sIPSC và biên độ mIPSC trong tế bào thần kinh NTS. Tăng biểu hiện của GABA-AR δ trong NTS. | Chen và cộng sự (2018) | |
| Chuột Mecp2+/- | Tiểu đơn vị GABA-AR | Giảm biểu hiện các tiểu đơn vị KCC2 và GABA-A1R trong giai đoạn tiền triệu chứng, trong khi biểu hiện này thay đổi ở chuột trưởng thành có triệu chứng | Oyarzabal và cộng sự (2020) | |
| CNTANP | Cntnap2 −/− | Số lượng tế bào thần kinh GABAergic | Giảm số lượng tế bào thần kinh trung gian GABAergic ở tất cả các phiến | Peñagarikano và cộng sự (2011) |
| Chuột Cntnap4 −/− | Tiểu đơn vị GABA-A | Giảm biểu hiện của GABA-ARα1 ở hồi hải mã và đồi thị và xu hướng giảm ở vỏ não | Heise và cộng sự (2018) | |
| Chuột Cntnap3 -null | Số lượng tế bào thần kinh GABAergic | Tăng tế bào thần kinh trung gian GABAergic ở vùng vỏ não và hồi hải mã trong cơ thể sống | Tong và cộng sự (2019) | |
| Chuột Cntnap2 -KO | Giảm số lượng cả kích thích và ức chế đối xứng; giảm biên độ trung bình của mEPSC của tế bào thần kinh hình chóp | Lazaro và cộng sự (2019) | ||
| Chất thần kinh | Chuột knock-in Nlgn3 R451C | Dẫn truyền thần kinh GABAergic ở vùng đồi hải mã | Tăng cường hoạt động GABAergic với sự gia tăng tần số của các GPSC thu nhỏ được trung gian bởi GABA-A trên các tế bào thần kinh hình chóp CA3 | Pizzarelli và Cherubini, (2013) |
| Chuột Nlgn4 KO | Dẫn truyền thần kinh GABAergic ở vùng đồi hải mã | Sự thay đổi truyền GABAergic trong CA3 | Hammer và cộng sự (2015) | |
| Chuột knock-in Nlgn3 R451C | Dẫn truyền thần kinh GABAergic ở thể vân | LTD bị suy yếu tại các khớp thần kinh glutamatergic vỏ não ở vân lưng | Martella và cộng sự (2018) | |
| Chuột Nlgn2 R215H KI | Mức độ protein tiểu đơn vị GABA-A và dẫn truyền thần kinh GABAergic ở vùng đồi hải mã | Giảm mức protein của tiểu đơn vị GABA-A γ2 và gephyrin trong hồi hải mã. Giảm mức protein của PV và VGAT trong tế bào hình chóp DG và CA1/CA3. Giảm mIPSCs trong DG, không có thay đổi trong mEPSCs | Jiang và cộng sự (2018) | |
| Chuột đột biến gen Nlgn 2 Arg215 → His215 (NL2 R215H KI) | mPFC GABAergic dẫn truyền thần kinh; tiểu đơn vị GABA-A | Giảm mIPSCs và eIPSCs trong mPFC. Giảm mức độ PV, tiểu đơn vị GABA-Aγ2 và VGAT trong mPFC | Chen và cộng sự (2020) | |
| CHÂN | Chuột loại bỏ gen Shank2 (e6-7 KO) | Dẫn truyền thần kinh GABAergic và các tiểu đơn vị GABA-A | Giảm biểu hiện của Gabra2 và truyền dẫn thần kinh ức chế qua trung gian thụ thể GABA | Lim và cộng sự (2017) |
| Chuột Shank1 −/− | Dẫn truyền thần kinh GABAergic | Giảm truyền synap ức chế qua trung gian tế bào thần kinh PV+ làm tăng cân bằng E/I | Mao và cộng sự (2015) | |
| EN2 | Chuột En2 −/− | Số lượng tế bào thần kinh GABAergic | Giảm biểu hiện của các tế bào thần kinh trung gian biểu hiện PV, SOM và NPY ở hồi hải mã và vỏ não | Sgadò và cộng sự (2013) |
| Chuột En2 −/− | Số lượng tế bào thần kinh GABAergic | Giảm biểu hiện của PV, SST và Gabrb3 ở não trước | Provenzano và cộng sự (2020) |
Mở trong một cửa sổ riêng biệt
MNTB, nhân giữa của thân hình thang; eiPSC, iPSC ở ngựa; VB, phức hợp bụng đáy; RTN, nhân lưới đồi thị; SOM, somatostatin; NPY, neuropeptide Y; SST, somatostatin; IPSC, dòng điện sau synap ức chế; mIPSC, dòng điện sau synap ức chế nhỏ; mEPSC, dòng điện sau synap kích thích thu nhỏ.
FMR1
Protein chậm phát triển trí tuệ mong manh (FMRP), được mã hóa bởi FMR1 , là một protein liên kết RNA được nghiên cứu rộng rãi có liên quan đến quá trình sinh bệnh của hội chứng X mong manh, ASD và các ID khác ( De Rubeis và Bagni, 2011 ). Nghiên cứu đã xác nhận bộ gen nhắm mục tiêu FMR1 và FMRP có liên quan đến ASD và các bệnh lý thần kinh khác ( Jansen và cộng sự, 2017 ). FMRP có thể ảnh hưởng đến kiểu hình synap như một chất ức chế chuyển tiếp liên kết mRNA thông qua việc điều chỉnh quá trình tổng hợp các protein synap có liên quan đến quá trình truyền synap ( Bagni và Zukin, 2019 ). Các nghiên cứu ban đầu đã báo cáo rộng rãi về mức độ biểu hiện tiểu đơn vị GABA-AR thay đổi ở chuột loại bỏ gen Fmr1 (KO). Chuột mắc hội chứng Fragile X biểu hiện giảm biểu hiện của các tiểu đơn vị α1, α3 và α4, β1 và β2, và γ1 và γ2, của GABA-AR ở cả mức mRNA và protein khi so sánh với chuột kiểu hoang dã. Tuy nhiên, mức biểu hiện GAD65 và GAD67 tăng ngược lại ở chuột mắc hội chứng Fragile X ( D’Hulst và cộng sự, 2006 ; Adusei và cộng sự, 2010 ). Người ta thấy rằng GABA-A β1 và β3, GABAB-R1, hai protein đồng vận chuyển Na + –K + –2Cl − (NKCC1 và NKCC2), gephyrin và ubiquilin, của chuột Fmr1 KO không khác biệt đáng kể so với chuột kiểu hoang dã tại bất kỳ thời điểm nào sau sinh ( Adusei và cộng sự, 2010 ). Ngoài ra, chuột Fmr1 KO biểu hiện sự truyền dẫn bất thường ở các vùng não liên quan đến nhận thức và khả năng giao tiếp. Centonze và cộng sự phát hiện ra rằng chuột Fmr1 KO có ít khớp thần kinh GABAergic hơn trong khi mức độ truyền dẫn ức chế GABA tự phát cao hơn ở thể vân ( Centonze và cộng sự, 2008 ). Sự ức chế GABAergic pha không bị thay đổi đáng kể, trong khi dòng điện GABA-A cường bị giảm điều hòa ở chuột Fmr1 KO và điều này có thể liên quan đến việc thiếu biểu hiện của các tiểu đơn vị GABA-AR α5 và δ ở tiểu thùy ( Curia và cộng sự, 2009 ). Hơn nữa, cả sự giảm đáng kể của các dòng điện sau synap ức chế pha (IPSC) và dòng điện ức chế cường đều được quan sát thấy ở chuột Fmr1 KO. Chuột Fmr1 KO cho thấy tình trạng tăng kích thích thần kinh ở hạch hạnh nhân có thể được cứu chữa bằng cách sử dụng chất chủ vận GABA gaboxadol (THIP) có thể cứu chữa các tế bào thần kinh hạch hạnh nhân thông qua việc thúc đẩy trương lực ức chế ( Olmos-Serrano và cộng sự, 2010 ). Thiếu RGS4, một chất điều hòa protein tín hiệu G-protein, có thể ức chế khả năng mắc chứng động kinh do âm thanh của chuột FMR1. Điều trị bằng chất đối kháng thụ thể GABA-B dễ gây ra động kinh ở Fmr1/RGS4chuột bị loại bỏ gen kép so với chuột hoang dã, trong khi chất chủ vận của GABA-B là baclofen có thể ức chế cơn động kinh ở chuột bị loại bỏ gen kép Fmr1/RGS4 ( Pacey và cộng sự, 2009 ). Tương tự như vậy, baclofen được phát hiện có khả năng phục hồi mức năng lượng gamma tần số cao (30–80 Hz) ban đầu và do thính giác kích thích tăng lên ở chuột Fmr1 KO và cải thiện trí nhớ làm việc bị suy giảm ( Sinclair và cộng sự, 2017 ). Những phát hiện này chỉ ra rằng sự dẫn truyền GABAergic bị suy giảm, đặc biệt là ở các vùng não liên quan đến nhận thức và khả năng giao tiếp, dường như có liên quan đến sự đóng góp của gen FMR1 trong các rối loạn phát triển thần kinh và tâm thần kinh.
MeCP2
MeCP2 là một protein nhiễm sắc thể cấu trúc được mã hóa bởi gen MeCP2 có liên quan đến bệnh lý hội chứng Rett (RTT) ( Amir và cộng sự, 1999 ) và sau đó được phát hiện là nguyên nhân gây ra chứng ASD không đặc hiệu và các bệnh về phát triển thần kinh ( Tilotson và Bird, 2019 ). Việc mất MeCP2 từ một nhóm nhỏ các tế bào thần kinh GABAergic ở não trước cũng tóm tắt lại nhiều đặc điểm của RTT ( Chao và cộng sự, 2010 ). Bằng chứng trước đây cho thấy các tế bào thần kinh GABAergic thiếu MeCP2 ở não trước cho thấy kích thước lượng tử ức chế giảm, phù hợp với sự giảm trước synap ở mức độ biểu hiện GAD1 và GAD2 và phản ứng miễn dịch với GABA ( Chao và cộng sự, 2010 ). Người ta phát hiện ra rằng sự gián đoạn MeCP2 gây ra khiếm khuyết giải phóng GABA từ tiền synap và làm suy yếu sự ức chế sau synap GABAergic ở locus coeruleus (LC) và NTS ( Jin và cộng sự, 2013 ). Chuột thiếu MeCP2 biểu hiện tăng biên độ của dòng điện sau synap kích thích tự phát thu nhỏ và kích thích (EPSC) mà không ảnh hưởng đến khả năng kích thích nội tại trong nhân tractus đơn độc (NTS), điều này liên quan đến việc giảm khả năng cung cấp yếu tố dinh dưỡng thần kinh có nguồn gốc từ não (BDNF) trong con đường hướng tâm chính và những thay đổi này có thể được chuẩn hóa bằng cách sử dụng BDNF ngoại sinh ( Kline và cộng sự, 2010 ).
Một số bằng chứng đã chứng minh rằng việc mất MeCP2 gây ra mức độ biểu hiện giảm của chất vận chuyển GABA dạng túi (VGAT), GAD1 và GAD2, và thay đổi biểu hiện của các tiểu đơn vị GABA-AR ( Medrihan và cộng sự, 2008 ; Chao và cộng sự, 2010 ; Chen và cộng sự, 2018 ; Oyarzabal và cộng sự, 2020 ). Đặc biệt, người ta thấy rằng biểu hiện tiểu đơn vị GABA-A bị giảm về mặt phát triển, đặc biệt là ở giai đoạn không có triệu chứng ở não chuột MeCP2 +/− ( Oyarzabal và cộng sự, 2020 ). Việc mất MeCP2 làm giảm mức độ dòng điện synap tự phát qua trung gian thụ thể glutamate ở các tế bào thần kinh CA3 ở hồi hải mã và gây ra tình trạng tăng hưng phấn ở các tế bào thần kinh hồi hải mã ( Zhang và cộng sự, 2008 ; Calfa và cộng sự, 2011 ; Ma và cộng sự, 2014 ). Bằng chứng trực tiếp được tìm thấy từ các nghiên cứu chứng minh rằng các tế bào thần kinh thiếu MeCP2 biểu hiện khiếm khuyết trong quá trình dẫn truyền GABAergic trong khi không có ở các tế bào thần kinh lân cận có MeCP2 và mất Mecp2 hạn chế ở não trước làm giảm số lượng các khớp thần kinh GABAergic ở vỏ não ( Zhang và cộng sự, 2014 ). Những kết quả này chỉ ra rằng mất MeCP2 gây ra khiếm khuyết trong quá trình giải phóng GABA trước synap, giảm số lượng các khớp thần kinh GABAergic và làm suy yếu quá trình ức chế GABAergic.
Kích thích dược lý của hệ thống GABAergic cho thấy sự phục hồi dẫn truyền thần kinh bất thường và kiểu hình hành vi. Chất chủ vận GABA-AR THIP (gaboxadol) được báo cáo là làm giảm các triệu chứng của RTT, bao gồm rối loạn vận động và bất thường về mặt xã hội ( Zhong và cộng sự, 2017 ). Chất ức chế tái hấp thu GABA có thể cải thiện tuổi thọ của chuột thiếu Mecp2 ( El-Khoury và cộng sự, 2014 ). Việc sử dụng chất điều biến giống benzodiazepine midazolam có thể tạm thời xóa bỏ các khiếm khuyết về hô hấp của chuột thiếu Mecp2 ( Voituron và Hilaire, 2011 ). Đáng chú ý, mirtazapine, một thuốc chống trầm cảm được biết là có tác dụng thúc đẩy giải phóng GABA, được phát hiện có tác dụng ức chế hành vi nhảy cóc của chuột thiếu Mecp2 ( Bittolo và cộng sự, 2016 ). Những kết quả này đã xác nhận rằng khiếm khuyết dẫn truyền thần kinh GABAergic dường như có liên quan đến các cơ chế thần kinh sinh lý của các hành vi bất thường do thiếu MeCP2 gây ra.
Nguồn: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8858939/