神经轴突蛋白-1在癫痫中的作用机制研究进展

Research Progress on the Mechanisms of Neurexin-1 in Epilepsy

摘要: 癫痫，特别是药物难治性癫痫，是神经系统的重大挑战，其发病机制复杂，仍有待深入阐明。近年来，遗传因素在癫痫中的作用日益受到重视。神经轴突蛋白-1 (NRXN1)基因编码一种关键的突触前细胞粘附分子，通过与其突触后配体(如神经配蛋白，Neuroligin)结合，在突触的形成、维持和功能调控中扮演核心角色。NRXN1的遗传变异已被证实与自闭症谱系障碍、精神分裂症、智力障碍等多种神经精神疾病密切相关，而这些疾病常与癫痫共病，提示NRXN1可能是连接这些疾病的分子桥梁之一。本文旨在综述NRXN1的生物学功能、其在神经系统疾病中的作用，并重点探讨NRXN1表达异常或功能缺失通过影响突触可塑性、扰乱神经环路兴奋/抑制(E/I)平衡，进而参与癫痫发病机制的最新研究进展。对NRXN1的深入研究，有望为揭示癫痫，尤其是难治性癫痫的病因提供新视角，并为开发新的治疗策略提供潜在靶点。

Abstract: Epilepsy, particularly drug-resistant epilepsy, poses a significant challenge to the nervous system. Its pathogenesis is complex and remains to be fully elucidated. In recent years, genetic factors have received increasing attention in epilepsy research. The Neurexin-1 (NRXN1) gene encodes a critical presynaptic cell adhesion molecule that interacts with its postsynaptic ligands, such as Neuroligin, playing a central role in synapse formation, maintenance, and functional regulation. Genetic variations in NRXN1 have been closely associated with various neuropsychiatric disorders, including autism spectrum disorder, schizophrenia, and intellectual disability. These disorders often co-occur with epilepsy, suggesting that NRXN1 may serve as a molecular bridge connecting these conditions. This review aims to summarize the biological functions of NRXN1, its role in nervous system diseases, and, in particular, to discuss the latest research progress on how abnormal expression or functional loss of NRXN1 may contribute to epilepsy pathogenesis by affecting synaptic plasticity and disrupting the excitatory/inhibitory (E/I) balance of neural circuits. In-depth study of NRXN1 is expected to provide new insights into the etiology of epilepsy, especially drug-resistant epilepsy, and offer potential targets for developing novel therapeutic strategies.

1. 引言

癫痫是一种以持续产生癫痫发作为特征的慢性脑功能障碍，影响全球超过5000万人[1]。尽管多数患者可通过抗癫痫发作药物(ASMs)控制症状，但仍有约20%~30%的患者发展为药物难治性癫痫(DRE)，其定义是使用两种耐受良好、选择恰当的药物仍无法实现持续无发作[2]。DRE患者面临着认知功能下降、精神共病、意外伤害乃至猝死(SUDEP)的显著风险，生活质量严重受损[3]。因此，突破现有治疗瓶颈的关键在于更深入地揭示DRE的分子与细胞机制。

癫痫的病因具有高度异质性，包括结构性、遗传性、感染性、代谢性和免疫性等因素。其中，遗传因素在癫痫易感性中的作用毋庸置疑。随着高通量测序技术的发展，大量癫痫相关基因被鉴定出来，其功能广泛涉及离子通道、神经递质受体、信号转导分子以及突触相关蛋白等[4]。突触作为神经元之间信息传递的基本单元，其功能可塑性的异常是导致神经元网络过度同步放电的核心环节之一[5]。因此，聚焦于突触相关蛋白的研究，对于理解癫痫的发病机制具有至关重要的意义。

神经轴突蛋白(Neurexin)家族，尤其是NRXN1，是突触功能的关键调控者。自其发现以来，大量研究揭示了NRXN1在神经发育和精神疾病中的重要作用[6] [7]。然而，与自闭症、精神分裂症等领域的研究热度相比，NRXN1在癫痫领域的直接研究相对较少且分散。本文旨在系统梳理NRXN1的生物学特性，总结其在相关神经系统疾病中的证据，并重点围绕其在癫痫中可能的作用机制进行综述，以期为该领域的研究提供清晰的思路和方向。

2. NRXN1的分子生物学特征

2.1. 基因结构与剪接多样性

NRXN1基因位于人类染色体2p16.3，其结构复杂，是产生分子多样性的基础。该基因包含两个独立的启动子，分别控制长转录本(α-neurexin)和短转录本(β-neurexin)的合成[8]。α-NRXN1是一个大型的跨膜蛋白，其胞外段包含六个LNS结构域和三个EGF样重复序列；β-NRXN1则仅包含一个LNS结构域，通过不同的转录起始点产生[9]。

更为重要的是，NRXN1前体mRNA在五个特定的位点(SS#1-#5)发生极为复杂的可变剪接。这种剪接机制使得单个NRXN1基因能够产生数千种功能各异的蛋白质异构体[10]。这种惊人的分子多样性被认为是大脑实现高度特异性的神经连接和复杂信息处理能力的分子基础之一。不同的NRXN1异构体具有不同的细胞定位和配体结合特性，从而精确调控特定类型突触的功能。

2.2. 蛋白结构与相互作用网络

NRXN1蛋白作为一种I型跨膜蛋白，其结构决定了其作为“桥梁”的功能。其胞外域负责与多种突触后配体进行特异性结合，而胞内段则与突触前细胞质内的支架蛋白和信号分子相互作用，如CASK、Mint等，从而将细胞外信号转化为细胞内功能变化[11]。

2.2.1. 与神经配蛋白(Neuroligin, NLGN)的结合

这是最经典、研究最深入的相互作用。α-NRXN1可与所有NLGNs (NLGN1-4)结合，而β-NRXN1主要与NLGN1 (富含于兴奋性突触)和NLGN2 (富含于抑制性突触)结合[12]。NRXN1-NLGN复合物是一种跨突触的细胞粘附系统，对突触的形成和功能维持至关重要。

2.2.2. 与富含亮氨酸重复序列跨膜蛋白(LRRTM)的结合

LRRTM1和LRRTM2主要在海马兴奋性突触中与NRXN1相互作用，共同促进兴奋性突触的发育[13]。

2.2.3. 与小脑蛋白(Cbln1)和谷氨酸受体δ (GluD)的结合

Cbln1作为桥梁，连接突触前的NRXN1与突触后的GluD2，这一通路在小脑Purkinje细胞的兴奋性突触形成中起着决定性作用[14]。

通过这些多样化的相互作用，NRXN1能够精确地调控不同类型突触的特定功能。

2.3. NRXN1在神经系统疾病中的角色

NRXN1单倍体剂量不足(Haploinsufficiency)或功能缺失性突变，是多种神经发育和精神疾病的重要风险因素。

2.3.1. 自闭症谱系障碍(ASD)

NRXN1缺失是ASD中最常见的拷贝数变异(CNV)之一。大规模遗传学研究显示，携带NRXN1缺失的个体患ASD的风险显著增加[15]。ASD患者常伴有高比例的癫痫共病，这强烈暗示NRXN1通路可能是连接两种疾病的共同病理生理基础。

2.3.2. 精神分裂症(SCZ)

全基因组关联研究(GWAS)已将NRXN1确定为SCZ的易感基因。NRXN1缺失携带者表现出更高的工作记忆缺陷和阳性症状[16]。癫痫患者中精神疾病的患病率也远高于普通人群。

2.3.3. 智力障碍(ID)

在许多患有严重ID的个体中检测到了NRXN1的CNVs，表明其在认知功能中的关键作用[17]。

2.3.4. 其他疾病

NRXN1的变异还与抽动秽语综合征[18]、注意缺陷多动障碍(ADHD)以及阿尔茨海默病(AD) [19]等相关。

这些疾病与癫痫之间存在显著的临床共病和遗传重叠，构成了一个“网络病”模型。NRXN1作为这个网络中的关键节点，其功能紊乱很可能通过影响共同的神经环路机制，导致不同的临床表现。

2.4. NRXN1与癫痫关联的直接证据

尽管研究数量有限，但越来越多的直接和间接证据将NRXN1与癫痫联系起来。

2.4.1. 遗传学证据

早期的一些病例报告和家系研究发现，携带NRXN1缺失的个体不仅表现出神经发育障碍，还常常伴有癫痫发作[20]。随后更大规模的队列研究证实，在特发性癫痫患者中，NRXN1的CNVs，特别是2p16.3微缺失，其频率显著高于健康对照组[21]。这些缺失通常涉及整个NRXN1基因或关键外显子，导致功能蛋白的缺失。此外，全外显子组测序研究也在部分癫痫性脑病患儿中发现了NRXN1的罕见错义或无义突变，进一步支持了其作为癫痫易感基因的角色[22]。

2.4.2. 表达研究与生物信息学分析

在组织水平上，研究者利用癫痫手术切除的脑组织进行检测。例如，有研究报道在颞叶癫痫患者的海马组织中，NRXN1的mRNA或蛋白水平发生了显著改变[23]。我们课题组前期的生物信息学分析也支持这一发现。通过对公共数据库(如GEO)中癫痫相关数据集的分析，我们筛选出NRXN1是癫痫组织中的关键差异表达基因之一(数据未显示)。这些发现为在蛋白和功能层面进一步探究NRXN1在癫痫中的作用提供了依据。

2.4.3. 动物模型研究

动物模型为揭示NRXN1的功能提供了最直接的证据。条件性敲除小鼠模型研究表明：在前脑特异性敲除NRXN1后，小鼠大脑皮层和海马神经元的兴奋性突触传递功能受损，表现为微型兴奋性突触后电流(mEPSC)的频率降低，提示突触前谷氨酸释放概率下降[24]。更为关键的是，NRXN1的缺失对抑制性突触的影响可能更为显著和复杂。有研究显示，敲除NRXN1会导致特定类型中间神经元(如表达小白蛋白的中间神经元)的抑制性输出减少，从而造成神经网络整体抑制性张力下降，E/I平衡向兴奋性偏移。可见，当NRXN1被敲除或突变导致剪接异常时，并非单一突触功能缺失，而是两种剪接体的“协同作用”被打破，导致不同脑区、不同发育阶段出现“E降低”“I降低”或“E/I比例倒置”的异质性缺陷，最终表现为认知、情绪、运动等多维度的复杂网络功能紊乱，这种E/I平衡的破坏也被认为是癫痫发生的重要基础。部分NRXN1缺陷小鼠模型表现出自发的癫痫样放电或对惊厥剂(如皮四氮)的敏感性增高，直接证明了NRXN1功能缺失可以导致癫痫易感性增加[25]。

2.5. NRXN1参与癫痫发病的潜在机制

基于现有研究，我们提出NRXN1可能通过以下机制参与癫痫的发病。

2.5.1. 破坏突触前神经递质释放

NRXN1通过其胞内段与突触前活性区的分子机器(如Munc18-1，CASK)相互作用，调控突触小泡的锚定、priming和Ca²⁺触发的释放过程[11]。NRXN1的功能缺失可能导致突触前神经递质(包括谷氨酸和GABA)的释放紊乱。尤其值得关注的是，其对GABA能抑制性传递的特异性影响可能大于对谷氨酸能兴奋性传递的影响，从而成为打破E/I平衡的关键。

2.5.2. 干扰突触后受体簇集与信号传导

通过影响NLGNs的募集和稳定，NRXN1的异常会间接影响突触后NMDA受体、AMPA受体和GABA_A受体的密度与功能。例如，NRXN1缺失可能导致抑制性突触后NLGN2减少，进而引起GABA_A受体簇集障碍，削弱突触后抑制效能。

2.5.3. 影响突触可塑性与神经网络稳定性

长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)是突触可塑性的核心表现形式，是学习记忆的基础，但其异常也与癫痫相关。研究表明，NRXN1缺陷的神经元表现出异常的突触可塑性，这可能使得神经网络更容易进入持续性的超同步化放电状态[26]。

2.5.4. 导致发育期神经环路构建异常

NRXN1在大脑发育的关键期高表达，对神经环路的精确构建至关重要。发育早期的NRXN1功能缺陷可能导致神经元迁移、轴突导向和突触出现错误，形成一个“先天脆弱”的神经网络，在内外环境因素的触发下，最终表现为癫痫[27]。

3. 总结与展望

综上所述，现有证据强有力地表明，NRXN1作为一个关键的突触组织者，其功能失常是癫痫，特别是与神经发育障碍共病的癫痫的一个重要风险因素。其机制很可能源于对突触前和突触后功能的双重干扰，最终导致神经网络E/I平衡的破坏。然而，该领域仍存在许多亟待解决的问题：NRXN1有众多异构体，究竟是哪些特定异构体的功能障碍主导了癫痫发生？其对兴奋性突触和抑制性突触的影响是否存在差异性？NRXN1在不同类型神经元(如锥体神经元与各类中间神经元)中的作用可能不同，需要利用细胞类型特异性基因敲除技术进行解析。同时与临床表型的关联需要更大规模的临床研究，明确NRXN1基因型与癫痫具体类型、严重程度及治疗反应之间的相关性。未来研究方向，利用CRISPR基因编辑技术在细胞或动物模型中精确模拟人类患者的特定突变，利用单细胞多组学技术解析NRXN1在不同细胞亚群中的作用。NRXN1的剪接异常是引发E/I平衡破坏的常见原因，反义寡核苷酸可通过碱基互补配对结合NRXN1前体mRNA的特定剪接位点，调控剪接因子的结合效率，从而矫正异常剪接，该策略已有临床研究先例，短期内转化潜力较高，尤其适用于明确剪接位点突变的患者，需结合动物模型(如CRISPR构建的突变小鼠)验证对E/I平衡和行为表型的改善效果，为临床转化奠定基础。

基金项目

济宁市重点研发计划(2023YXNS028)。

NOTES

^*通讯作者。