精神分裂症相关KCNN3基因多态性△
【关键词】 精神神分裂症；病理；生理；KCNN3基因；多态性
【关键词】 精神神分裂症；病理；生理；KCNN3基因；多态性
Ca2+激活K+通道蛋白基因3［calcium-activated potassium (SK) channels KCNN3］作为对多巴胺（DA）和5羟色胺（5HT）通路有影响的基因，为寻找新的候选基因提供了线索。本文综述了KCNN基因家族分类、染色体定位、病理生理机制及其KCNN3基因多态性近年来与精神分裂症的相关研究。
KCNN基因多态性在精神分裂症中可扩增的TNRs兴趣，是因为受到家族中多种患精神分裂症者存在早现遗传现象的启发，TNRs也与疾病的严重性和复杂的非孟德尔遗传模式相一致。重复扩增探测技术能够检查TNRs的位置，即使未发现TNRs的位置，仍然发现CAG/CTG可重复的最大长度在精神分裂症患者中较对照组更长。而编码离子通道蛋白的KCNN3基因包含有高度多态性的多聚谷氨酸重复序列（CAG）n和一种稀有的包含4个碱基的缺失在精神分裂症患者中发现，由此使得研究KCNN3基因多态性与精神分裂症相关性近年来非常盛行。
1 KCNN基因分类及分布
1.1 分类 KCNN基因分为四类：KCNN1、KCNN2、KCNN3、KCNN4，它们分别又称为KCa2.1，KCa2.2，KCa2.3，KCa3.1。
1.2 分布 KCCN多分布于大脑皮质，海马，腹侧背盖，隔区，视上束核，黑质，丘脑，底丘脑，尾状核，杏仁核，基底节，僵核等。
2 KCNN基因定位
2.1 基因定位 上述四类基因分别定位在19p13.1，5q，1q21.3，19q13.2。其中这四个染色体中除19号染色体外，另外两个染色体基因组扫描均已经发现精神分裂症的易感基因，而KCNN3则是近年来研究较多的，与精神分裂症相关的基因，人类KCNN3曾用名有KCa2.3，SK3，SKCA3，hSK3等，由其介导的通道电流分为大、中、小3种，与精神分裂症相关研究较多的通道基因称为介导中/小电流的钙激活性钾通道。动物试验发现，编码SKCa通道蛋白基因通常由具有保守基因组结构三个基因组成（SKCa1～3），三种基因的表达产物70～80%氨基酸序列具同源性。功能性SKCa通道蛋白由SKCa1～3三种亚单位的同倍体和异倍体构成，每个亚单位包含有6个跨膜双螺旋结构（S1S6）和细胞内氨基末端及其羧基末端，SKCa通道蛋白通过钙调蛋白牢固地结合在每个亚单位羧基末端（ncbi2002年更新）。
2.2 功能 KCNN3基因编码的蛋白质具有离子通道活性，结合钙调蛋白构成细胞膜组织成分，离子转运（包括钾离子），突触传递，神经细胞发育生长，钙激活钾通道活性，构成电压门控钾通道复合体及微小电流钙激活钾通道活性等功能。
3 KCNN3病理生理
Ca2+信号级联放大在不同组织功能性激活中发挥着重要作用，Ca2+激活K+通道（KCa）1通过调节兴奋及非兴奋细胞膜动作电位影响着Ca2+介导的一系列细胞内效应。KCa通道根据其单通道电导划分为大、中、小三种，小电导K通道（SKCa）电导为4～14pS，是电压依赖性K通道，其细胞质中Ca2+浓度通常在200～500nM之间波动。在中枢神经系统内，这些通道通过产生缓慢的膜后超极化调节神经元点火模式。
4 KCNN3基因突变证据与精神分裂症
4.1 KCNN3病理机制与精神分裂症 人类SKCa3也称KCNN3或SK3，有研究报道位于人类染色体1q21包含有某些家族性精神分裂症一个重要的易感位点，SKCa3通道蛋白氨基末端包含有一个高度多态性的多聚谷氨酸重复序列（CAG）n。不同人群相关研究发现，在精神分裂症患者中较长的重复序列显著地过度表达，并发现其与精神分裂症阴性症状高度相关［1］。然而也有家系研究报道认为短的重复序列在精神分裂症患者中有过度表达，反之，也有许多家系研究没能证实SKCa通道蛋白基因（CAG）n长度与精神分裂症相关［2］。最近，对1例精神分裂症患者家族遗传基因研究发现，SKCa基因的一个罕见包含4个碱基缺失，这一移码突变造成截短的SKCa多态性，△SKCa3过早在包含终止密码子第286氨基酸残基终止，△SKCa3与SKCa3氨基酸序列AF031815到Leu283序列相同，然后由AF03185中包含三个移码突变残基（Ser284，Asp285，Tyr286）分别代替Thr284，Met285，and Leu286。截短了的蛋白横跨整个氨基末端，缺乏疏水核心及羧基末端，有趣的是SKCa3氨基末端区域包含有两个公认的多盐基核心局部信号［nuclear localizing signals (NLS)］，正如先前所报道许多包含有多聚谷氨酸重复序列致病等位基因可能正是这些突变蛋白质所造成的，它们或单独或与正常等位基因的蛋白质产物相结合。鉴于这些通道蛋白的四聚体本质，使突变蛋白可能在这个基因家族中所有由三个位点编码的正常SKCa亚单位共同集合起来，以显性负相方式抑制所有内源性SKCa电流，这种抑制作用在与氨基末端SKCa2片段类似截短顶端氨基末端SKCa蛋白得到证实［3，4］。
运用荧光共聚焦显微镜在哺乳动物细胞进一步证实，截去顶端氨基末端SKCa蛋白（SKCa31/285）的核心位置，除羧基末端两个氨基酸残基外，这一结构与精神分裂症患者中发现的一个突变蛋白△SKCa3非常类似，其核心靶向作用部分由两个多盐基NLS基序介导，这一位点可能对神经元结构和功能产生有害作用。平行膜片钳试验显示，SKCa31/285能够选择性抑制内源性SKCa2电流，大概通过与新合成的野生型SKCa亚单位结合产生非功能性四聚体有关，提示一种潜在显性负相为什么影响着SKCa通道蛋白整个家族功能并可能改变精神分裂症的脑功能［5］。
SKCa31/285核定位在解释其他多聚谷氨酸蛋白致病（如亨廷顿病）业已证实，SKCa31/285 2个较早报道的致病通道蛋白基因临界阈值短的（CAG）n重复序列（12和14谷氨酰胺Gln），单克隆抗体证实人类SKCa3通道蛋白的多聚谷氨酸至少大于40个。因而SKCa31/285这种串联多聚谷氨酸重复序列及其包含有插入PXXP的多聚脯氨酸片段可能类似于较长的致病性多聚谷氨酸重复序列。尽管SKCa31/285核定位结果仍然不清楚，但其对神经原生长发育及结构的影响可能与精神分裂症的病理生理机制有关。精神分裂症患者尸检及神经影像学已经显示大脑容量减少，也许是由于神经细胞炎症过程所致。SKCa3氨基末端中公认的SH3结合富余脯氨酸位点增加SKCa31/285可能通过结合关键性信号分子，并潜在改变其亚细胞的结构和功能［6］。
4.2 KCNN3基因病理生理机制与DA神经元活性 众所周知，中脑DA能神经元生理活性在人类运动、认知和犒赏活动中有重要的作用，精神分裂症关键发现是DA能神经元活性的改变，但其细胞机制仍然未阐明。近年来编码细胞膜小电导的Ca2+激活K+通道蛋白基因（KCNN3）被作为精神分裂症的候选基因，然而其在DA能神经元中的功能仍然不清楚。有学者应用单细胞RTPCR及共聚焦免疫组织化学研究小鼠中脑切片并结合膜片钳技术，试图阐明DA神经元SK通道蛋白的分子功能。生物物，药理学分析，单细胞mRNA及其蛋白质表达强烈提示，SK3通道在DA能神经元介导Ca2+依赖性膜后超极化慢电位，黑质（substantia nigra SN）DA神经元穿孔膜片钳记录证实，SK3通道蛋白自动控制自发性点火频率，而且SK3通道活性是精确维持DA 、SN能神经元内在起搏器。相反，在腹侧被盖区DA能神经元确显示较小SK电流及较低的SK3通道蛋白质表达，因此这些区域SK3通道蛋白不受起搏器控制，与DA、SN 相比，它们释放电流的方式更多是不规则的。因此差异性SK3通道蛋白表达是DA神经元控制神经活性的关键机制［7］。这从细胞机制上理解SK3通道蛋白改变的功能性结果，并将SK3基因作为精神分裂症的候选基因提供了依据。
研究已证实，离子通道的突变可以导致多种符合孟德尔遗传的疾病，而新近被认识的多聚谷氨酸重复序列（CAG）n是造成许多具有遗传倾向神经精神疾病的病理生理机制之一。KCNN3转录产物广泛分布于大脑皮层等区域，其中SKa1和Ska2转录产物与SKa3分布的大脑区域有许多重叠，由此提示任何一点的纯合子无效突变都将被富余的通道蛋白所掩盖，而富含DA能神经元的大脑区域内源性钾通道电流的减少，也许与有神经毒性的钾通道阻滞剂蜂毒明肽有相似的作用。众所周知，钾通道阻滞剂蜂毒明肽可以抑制突触后超极化而改变DA能神经元的点火方式，使其由起搏样放电转变为多重爆发样放电模式。研究也发现位于黑质DA能神经元的SKa3作为内在起搏点，爆发性的放电与DA释放增加有关，而且也有报道蜂毒明肽可以增加小鼠纹状体5HT的释放［8］。
4.3 KCNN3基因多态性与精神分裂症的相关性 近年来有关KCNN3蛋白基因多态性与精神分裂症的相关性研究颇多，意见很不一致。美国加利福尼亚大学学者Gargus JJ等研究发现，KCNN3含有较长重复序列的等位基因与精神分裂症相关联，而不是（CAG）n数量，并认为该通道生理功能与精神分裂症的病理生理机制一致。依据此研制开发新型的作用于此通道的抗精神病药物也许与传统DA功能拮抗剂（如氯丙嗪）有一样的抗精神病效应［9］，并相继有许多学者支持其观点，如Ritsner M等发现以色列患者与CAG/CTG长度而不是数量显著相关［10］。之后，又有许多学者发现一种稀有的包含4个碱基的缺失在精神分裂症患者被鉴别。当然也有学者持反对意见，如Glatt SJ等荟萃分析没有发现第一外显子（CAG）n长度与精神分裂症及双相情感障碍相关［2］，Ujike等也没有发现在日本患者中（CAG）n长短等位基因与青春型及偏执型精神分裂症相关，Saleem Q等也没有在印度患者中发现其相关性［11］，Antonarakis SE等的研究［12］与上述观点一致。
5 小结
关于KCNN3基因与精神分裂症的研究近年来是该病病因学研究的重点。过去的研究中各家不一致的报道与精神分裂症高度的遗传异质性、种族之间的差异性、样本大小、研究方法、人口学分层等诸多因素有关。另外由于精神分裂症是一个遗传背景复杂的多基因遗传病，目前病因学仅仅集中在候选基因及其位点上，包括KCNN3基因在内，在影响精神分裂症病理生理机制上是如何起作用，其突变的类型总共有多少？与表型关系如何？在精神分裂症的早期诊断中该基因突变是否有价值？研究精神分裂症复发的相关因素则更少，尽管随着人类基因组图谱的绘制完成，分子生物学的飞速，基因突变和遗传定位给精神分裂症病因学研究带来了曙光，但前进的道路上企需解决的问题和任务更加艰巨。
［1］ Ritsner M, Modai I, Ziv H ,et al. An association of CAG repeats at the KCNN3 locus with symptom dimensions of schizophrenia［J］.Biol Psychiatry，2002，51(10)：788
［2］ Glatt SJ, Faraone SV, Tsuang MT, et al.CAGrepeat length in exon 1 of KCNN3 does not influence risk for schizophrenia or bipolar disorder: a metaanalysis of association studies［J］.Am J Med Genet，2003，121B（1）：14
［3］ Wolfart J, Neuhoff H, Franz O, et al. Differential expression of the smallconductance, calciumactivated potassium channel SK3 is critical for pacemaker control in dopaminergic midbrain neurons［J］.J Neurosci，2001，21(10)：3443
［4］ Miller MJ, Rauer H, Tomita H ,et al. Nuclear localization and dominant-negative suppression by a mutant SKCa3 Nterminal channel fragment identified in a patient with schizophrenia［J］.J Biol Chem，2001，276(30)：27753-6
［5］ Tomita H, Shakkottai VG, Gutman GA, et al. Novel truncated isoform of SK3 potassium channel is a potent dominantnegative regulator of SK currents: implications in schizophrenia［J］.Mol Psychiatry，2003，8（5）：524，460
［6］ Sun G, Tomita H, Shakkottai VG, et al. Genomic organization and promoter analysis of human KCNN3 gene［J］.J Hum Genet，2001，46(8)：463
［7］ Ujike H, Yamamoto A, Tanaka Y, et al. Association study of CAG repeats in the KCNN3 gene in Japanese patients with schizophrenia, schizoaffective disorder and bipolar disorder［J］.Psychiatry Res，2001，101（3）：203
［8］ Tsai MT, Shaw CK, Hsiao KJ, et al. Genetic association study of a polymorphic CAG repeats array of calcium-activated potassium channel (KCNN3) gene and schizophrenia among the Chinese population from Taiwan. Mol Psychiatry，1999，4（3）：271
［9］ Gargus JJ, Fantino E, Gutman GAA. piece in the puzzle: an ion channel candidate gene for schizophrenia［J］.Mol Med Today，1998，4（1）：518
［10］ Ritsner M, Amir S, KoronyoHamaoui M, et al.Association study of CAG repeats in the KCNN3 gene in Israeli patients with major psychosis［J］.Psychiatr Genet，2003，13（3）：143
［11］ Saleem Q, Sreevidya VS, Sudhir J, et al. Association analysis of CAG repeats at the KCNN3 locus in Indian patients with bipolar disorder and schizophrenia［J］.Am J Med Genet，2000，96（6）：744
［12］ Antonarakis SE, Blouin JL, Lasseter VK. Lack of linkage or association between schizophrenia and the polymorphic trinucleotide repeat within the KCNN3 gene on chromosome 1q21［J］.Am J Med Genet，1999，88（4）：348
