精神分裂症（Schizophrenia, SCZ）是一类严重的神经发育性精神障碍，影响全球1%的人群。SCZ的临床症状包括阳性症状（幻听、妄想、幻觉）、阴性症状（社交障碍、快感缺失等）和认知障碍（认知记忆缺陷）。临床上，部分SCZ患者可通过使用抗精神病药物来缓解治疗阳性症状，但是阴性症状和认知障碍目前尚无有效的治疗方案。因此，SCZ的致病机制，特别是阴性症状的病理机制仍是本领域的关键科学问题与世界医学难题。
多巴胺假说（Dopamine, DA）是SCZ的重要假说之一，该假说认为DA过度传递是导致SCZ阳性症状的重要原因，目前SCZ临床治疗的一线药物也是以多巴胺D2受体（D2R）的拮抗剂（如氯丙嗪、氟哌啶醇等）为主，但这些抗精神类药物仅能部分缓解SCZ的阳性症状，对阴性症状和认知障碍往往无效，甚至会进一步加重这些症状。因此，有学者认为纹状体DA分泌增加导致SCZ阳性症状，而边缘-皮层系统DA分泌降低则是导致SCZ阴性症状的主要原因。然而，目前DA传递异常是否及如何导致SCZ阴性症状和认知障碍尚不清楚。
目前，全基因组关联分析研究发现了一系列SCZ相关的易感基因，但是很少有能单独诱发精神分裂症的基因，因此目前尚无理想的遗传动物模型用于SCZ的病理机制研究。突触结合蛋白11（synaptotagmin-11, Syt11）是一个SCZ易感基因。早期研究发现，Syt11可通过抑制胞吞作用抑制囊泡循环与神经递质的可持续分泌，而其在DA神经元中的表达上调则是导致帕金森病的重要机制。然而，作为SCZ的易感基因，Syt11是否及如何介导SCZ的病理进程尚不清楚。
西安交通大学王昌河教授团队联合西南医科大学康新江教授团队，历经八年，对精神分裂症的致病机制进行了系统研究。近日，该研究团队在《自然-通讯》（Nature Communications）发表题为《突触结合蛋白-11缺失通过多巴胺过度突触传递介导精神分裂症样行为》（Synaptotagmin-11 deficiency mediates schizophrenia-like behaviors in mice via dopamine over-transmission）的研究论文。该研究首次明确Syt11是一个功能性的SCZ致病基因，为SCZ临床诊断提供理想的生物标志物，为其病理机制研究提供了理想的遗传动物模型（Syt11 cKO小鼠），发现其关键致病窗口期（青春期之前），并证实DA过度分泌是介导SCZ阳性症状、阴性症状和认知障碍的共同致病机制。同时，明确VTA-mPFC环路是介导SCZ社交障碍的关键环路机制，揭示临床药物治疗SCZ阴性症状无效的分子机制，为其临床治疗提供了重要的神经环路与分子靶点，有望实现SCZ三大症状的同步、长期改善，为SCZ的临床根治提供新靶点和新策略。
研究人员通过SCZ患者脑库分析发现，SCZ患者前额叶皮层中Syt11的转录水平显著降低，且SCZ患者外周血中Syt11蛋白及mRNA水平均显著降低，表明Syt11表达下调可能是SCZ的关键致病原因，血浆中Syt11的表达水平有望成为SCZ重要的临床诊断生物标记物。研究人员进一步发现，经抗精神类药物治疗后，SCZ患者血浆中Syt11的转录水平得到显著恢复，且其恢复水平与治疗后患者症状评分呈正相关，表明Syt11与SCZ有着密切的因果关联。进一步，研究人员构建了多巴胺神经元特异性Syt11敲除鼠（Syt11 cKO），发现Syt11 cKO鼠在青少年期（6-8周）就表现出明显的社交缺陷、前脉冲抑制缺陷、自发运动增多、记忆受损等与SCZ三大临床症状相关的经典行为学改变，这些行为学改变可延续至成年，甚至老年，但未表现出重复刻板行为，表明Syt11缺失足以导致SCZ相关的核心症状。有趣的是，在新生鼠中敲除Syt11可诱导类似的行为学改变，但在成年期敲除Syt11则不能重现这些表型。以上结果表明，多巴胺神经元Syt11缺失是介导SCZ病理进程的重要机制，且存在一个关键的致病窗口期，并为SCZ病理机制研究提供了理想的遗传小鼠模型。
为研究Syt11缺失导致SCZ的内在机制，研究人员通过微碳纤电化学检测发现，Syt11 cKO鼠伏隔核（NAc）和前额叶皮层（mPFC）DA分泌均显著增加，囊泡循环加速，DA神经元的兴奋性增加，且D2受体（D2R）的下膜转运加速、膜上的功能性D2R表达降低。因此，Syt11缺失可能是通过加速胞吞和囊泡循环进而促进DA分泌，同时通过介导D2R受体下膜转运去除D2R自抑制效应，最终导致DA过度分泌与小鼠精神分裂症样行为表现。进一步，研究人员借助化学遗传学手段，在青春期特异性激活小鼠VTADA神经元可诱导出明显的社交障碍、前脉冲抑制缺陷和记忆受损等SCZ相关的行为学改变，且这些变化可持续至成年期。但成年期以后再激活这些DA神经元则不能重现以上行为学变化。这些结果表明，发育早期DA过度分泌是介导小鼠SCZ样行为改变的重要机制，青春期DA过度分泌会导致精神分裂症相关社交障碍。
在环路水平上，研究人员借助光遗传学实验证明，VTA向前额叶皮层（mPFC）而非伏隔核（NAc）脑区的DA投射介导了SCZ相关的社交障碍。进一步，研究人员利用Syt11 cKO鼠及DA神经元化学激活鼠模型发现，青少年期DA过度分泌导致mPFC区皮层神经元数量降低、DA投射末梢减少、兴奋性突触后电流幅值降低、额叶皮层神经元兴奋性水平降低、皮层组织转录组改变等形态、结构和功能的长期改变。这些结果表明，青春期VTA-mPFC的DA分泌增加介导了SCZ相关社交障碍，且会在结构、功能和转录水平等方面对mPFC脑区神经网络产生长远影响，进而导致不可逆的SCZ样行为学改变，即青春期DA过度分泌导致前额叶皮层发育异常。
既然VTA-mPFC的DA过度分泌是导致SCZ社交障碍等阴性症状的核心机制，那么为什么靶向D2R的抗精神性药物对阴性症状往往无效呢？研究人员发现，D2R拮抗剂在拮抗DA传递的同时，可几十倍的增加mPFC区DA的分泌水平，最终对突触后mPFC神经元产生截然相反的功能改变。因此，系统水平给予D2R拮抗剂干预，可通过突触后机制治疗SCZ，亦可通过突触前机制诱导或加重SCZ表型，揭示了现有临床抗精神类药物治疗SCZ阴性症状无效的核心机制。那么，通过脑区特异性给药分别干预突触前与突触后D2R是否可以达到治疗效果呢？研究人员进一步在mPFC脑区给予D2R拮抗剂Haloperidol（突触后效应为主）或在VTA脑区给予D2R激动剂Quinpirole（突触前机制），发现他们均可显著缓解SCZ相关的社交障碍，且这种治疗效果可以有效持续到成年阶段。以上结果表明，在青春期晚期之前通过脑区特异性靶向D2R给药，能够持续恢复小鼠的社交障碍，有望为SCZ，尤其是其阴性症状的临床治疗提供持续高效的干预策略，靶向突触前和突触后D2R可长期改善精神分裂症相关社交障碍。
综上，该研究发现Syt11是一个功能性的SCZ风险基因，为SCZ病理机制研究提供了理想的遗传小鼠模型，阐明了发育早期DA过度分泌在SCZ发病机制中的核心作用，揭示了SCZ阴性症状的分子与环路机制，明确临床抗精神类药物对阴性症状与认知障碍无效的分子机制，并为SCZ临床治疗提供了两种靶向D2R的新策略。这些发现不仅为理解SCZ的病理机制提供了重要依据，还为社交障碍相关疾病及相关精神类疾病神经发育异常的触发机制提供重要参考，并为SCZ的临床治疗提供新范式和新思路。
图1 Syt11缺失与DA过度分泌介导精神分裂症发病机制的模式图
西安交通大学王昌河教授为该论文通讯作者，西南医科大学康新江教授、西安交通大学徐华栋副教授、官方霖教授为共同通讯作者。西安交通大学生命学院博士后陈洋、博士生顾禹豪、王变变和博士后韦安琪为本文共同第一作者。西安交通大学分析测试中心郝英工程师协助完成Confocal成像数据的采集。西安交通大学朱峰教授为本项目提供了部分临床样本，浙江大学徐晗教授、空军军医大学赵湘辉教授为本研究提供了宝贵意见和帮助。本研究获得国家自然科学基金、国家科技创新项目、陕西省科技创新团队项目、陕西省杰出青年基金、陕西省重点研发计划、中国博士后基金等项目资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54604-4
