Sci Adv丨揭示认知损害机制：KAT6A缺失对海马功能的影响

2024年5月17日，约翰斯·霍普金斯大学医学院生理学系邱照铸团队在Science Advances发表“KAT6A deficiency impairs cognitive functions through suppressing RSPO2/Wnt signaling in hippocampal CA3”，揭示了KAT6A缺失通过抑制海马CA3中的RSPO2/Wnt信号来损害认知功能。

智力残疾（ID）影响2%的人群，ID相关基因富集于表观遗传因子，包括那些编码最大的组蛋白赖氨酸乙酰转移酶家族（KAT5-KAT8）的基因。其中KAT6A突变导致KAT6A综合征，以ID为常见的临床特征。然而其潜在的分子机制尚不清楚。作者发现KAT6A缺陷损害了海马CA3的突触结构和可塑性，而没有损害CA1区，导致小鼠的记忆缺陷。进一步鉴定了一个富集CA3的基因Rspo2，编码Wnt激活因子R-spondin 2，作为KAT6A的关键转录靶点。兴奋性神经元中Rspo2的缺失会损害记忆的形成，而恢复CA3神经元中Rspo2的表达可以挽救Kat6a突变小鼠中Wnt信号通路和学习相关行为的缺陷。KAT6A-RSPO2-Wnt信号通路在调节海马CA3突触可塑性和认知功能中发挥了关键作用，为KAT6A综合征及相关神经发育疾病提供了潜在的治疗靶点。

图一 KAT6A缺失会损害小鼠的学习和记忆

为了阐明KAT6A综合征背后的机制，作者首先评估KAT6A缺失在大脑中的影响。由于Kat6a纯合子敲除小鼠是胚胎致死，因此，在Kat6a+/−小鼠中检测了单倍性不足，外显子4缺失导致一个过早终止密码子。从雄性和雌性Kat6a+/−小鼠开始断奶期和整个成年期，体重均低于野生型同窝鼠，这与KAT6A综合征患者的生长延迟一致。然后进行了一系列的行为分析以比较Kat6a+/−和WT同窝幼鼠在成年期的表现。在旷场试验中，与对照组小鼠相比，Kat6a+/−小鼠在中心停留的时间更多，而两组小鼠均表现出相当的总运动距离，这表明突变小鼠具有正常的运动活动，但焦虑水平较低。通过高架十字迷宫试验进一步证实了焦虑程度的降低。此外，还使用了三箱社交测试检测WT和Kat6a+/−小鼠的社交，与野生型小鼠相比，大多数Kat6a+/−小鼠表现出正常的社会能力，这与许多父母描述KAT6A突变的孩子会快乐社交的观点一致，尽管ID和发育迟缓。考虑到ID是KAT6A综合征的一个显著临床特征，作者进一步研究了KAT6A缺失是否会影响小鼠的认知功能。在新物体识别测试中，WT同窝幼鼠对新物体表现出明显的偏好。然而，Kat6a+/−小鼠没有表现出这种偏好，表明识别记忆存在缺陷。为了测试海马体依赖的空间学习和记忆，使用Morris水迷宫（MWM）实验来评估动物利用空间线索定位水箱中隐藏平台的能力。在训练过程中，Kat6a+/−小鼠比对照组小鼠导航到平台的时间更长，表明它们的空间学习能力受损。在探针试验中，Kat6a+/−小鼠在目标象限停留的时间较少，而它们的游泳活动正常，这表明突变小鼠的空间记忆受损。为了进一步证实KAT6A在学习和记忆中的重要性，进行了一个经典的恐惧条件反射程序，在这个程序中，将一个听觉线索与一个轻度厌恶的足部电击配对。情境性恐惧记忆对海马体缺陷很敏感，而听觉性恐惧记忆则依赖于杏仁核的功能。在训练过程中，与WT对照组相比，Kat6a+/−小鼠表现出足部电击诱发的僵直行为减少，表明它们的学习能力受损。在条件反射24小时后，将小鼠重新放回训练环境中，并测量它们的僵直时间。与对照组相比，Kat6a+/−小鼠的环境诱发的僵直行为明显降低。这些数据表明，Kat6a单倍体不足导致了小鼠的记忆缺陷。接下来结果还表明在兴奋性神经元中KAT6A缺失的小鼠再现了KaT6a+/−小鼠的记忆缺陷。总之，在兴奋性神经元中，KAT6A的特定缺失足以导致小鼠的记忆缺陷。

图二 KAT6A缺失导致海马CA3突触可塑性缺陷

海马是学习记忆的关键区域，为了研究KAT6A的缺失是否影响小鼠海马神经元功能，作者对急性海马切片进行了全细胞膜片钳记录。Cat6aNEX-cKO小鼠和对照组之间CA1锥体神经元的微型兴奋性突触后电流（mEPSCs）在频率和振幅上具有可比性。此外，KAT6A缺失对CA1神经元功能无明显影响。考虑到海马CA3区域也与记忆功能有关，接下来测量了CA3锥体神经元中的mEPSC。与对照组相比，Kat6aNEX-cKO小鼠的mEPSC频率显著降低，而振幅没有变化，这表明KAT6A缺失导致CA3谷氨酸能突触传递缺陷。CA3锥体神经元接收三种主要类型的谷氨酸能输入，作者还进一步研究哪些输入导致了这一缺陷，发现KAT6A复发的突触传递主要在KAT6A缺失的情况下受损。本部分研究发现兴奋性神经元中KAT6A的缺失损害了海马CA3突触的可塑性，从而导致了学习和记忆缺陷。

图三 snRNA-seq揭示了海马CA3中KAT6A的转录靶点

为了探究Kat6a单倍体不足诱导记忆缺陷的分子机制，作者从Kat6a+/−小鼠及其同窝小鼠海马中提取总RNA进行RNA测序。Kat6a+/−小鼠海马中185个基因下调，通过GO富集分析将其分为不同信号通路，许多下调的基因参与了Wnt信号通路和兴奋性突触功能，支持了KAT6A在发育过程和突触可塑性调节中发挥重要作用的观点。接下来进行了snRNA-seq来更精确地阐明在兴奋性神经元中Kat6a缺失时，哪些基因发生了改变。鉴于发现KAT6A缺陷导致认知缺陷和CA3突触功能障碍，作者特别关注了CA3锥体神经元簇中差异表达发现只有一个常见的基因（R-spondin2Rspo2）显著下调，而这个基因没有改变CA1锥体神经元和其他细胞类型。RSPO2是Wnt/β-连环蛋白信号通路的激活因子，参与了肿瘤的发育和癌症，它在小鼠海马中高表达。与测序数据一致，Kat6aNEX-cKO和Kat6a+/−小鼠的海马中Rspo2的表达水平均下降。

综上所述，作者的工作表明HAT KAT6A通过调节RSPO2/Wnt信号通路，作为海马CA3突触功能的关键调控因子。还揭示了KAT6A/RSPO2/Wnt信号通路的受损是KAT6A缺陷引起的认知功能障碍的关键分子机制。目前还没有治疗KAT6A综合征的治疗方案，或许增强海马体中的Wnt信号是一种潜在的识别治疗策略。总之，作者的工作将CA3功能障碍和Wnt信号缺陷与KAT6A综合征相关的认知缺陷联系起来，这也可能与其他ID相关疾病有功能互作。

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