本文发表于 Nature Communications 期刊，发表时间为2025年。主要通讯作者是 bsong、agranger 和 msheng，均隶属于博德研究所。
本研究属于精神疾病神经生物学领域，聚焦于寻找精神分裂症和双相情感障碍共有的分子与神经环路机制。这两种精神疾病具有很高的遗传性，但具体的生物学基础尚不清楚。近年来，通过外显子测序，研究人员发现了数个功能缺失突变会显著增加患病风险的基因，其中 AKAP11 基因尤为引人关注，因为其突变主要增加精神分裂症-双相障碍谱系的风险，而与其他如自闭症谱系障碍或智力障碍等神经发育障碍的关联较弱，这使其成为一个相对特异性的研究靶点。AKAP11 基因编码A激酶锚定蛋白11，已知其可以结合蛋白激酶A，并在细胞系中参与蛋白质降解等过程，但其在大脑中的功能完全未知。因此，本研究旨在利用 Akap11 基因突变小鼠模型，通过多组学、神经生物学和行为学分析，系统地探究 AKAP11 功能缺失如何导致分子、细胞和神经环路层面的功能障碍，并最终引发与精神病相关的行为表型。本研究的目标是建立一个从基因变异到分子变化、再到环路功能紊乱和行为异常的有机关联，从而深入理解精神疾病的发生机制。
本研究流程复杂而系统，整合了行为学、蛋白互作组学、蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学、转录组学（包括单核RNA测序）、电生理学以及活体光纤光度测定等多种技术。
行为学表型分析：首先，研究者对 Akap11 基因敲除（*Akap11-/-*）和杂合突变（*Akap11+/-*）小鼠进行了全面的行为学检测。研究包括长期的家庭笼活动监测，利用机器学习的Motion Sequencing对复杂运动行为进行精细分析，以及一系列与精神疾病症状域相关的测试。样本涉及多个年龄段的数十只小鼠。行为结果表明，Akap11 突变小鼠表现出活动减退、在强迫游泳测试中不动时间增加（抑郁样行为），以及在特定测试范式下表现出快感缺失样行为。在认知方面，通过听觉恐惧条件化任务，发现 Akap11-/- 小鼠不仅恐惧记忆受损，还丧失了区分条件刺激和非条件刺激的能力，表现出恐惧记忆的泛化，这模拟了精神疾病中的认知缺陷。
蛋白互作组与分子机制探究：为了阐明 AKAP11 在大脑中的功能，研究者首先通过免疫共沉淀结合质谱分析，鉴定了 AKAP11 在小脑皮层中的相互作用蛋白质组。样本来自12周龄的野生型和 Akap11-/- 小鼠皮层。除了验证其与PKA各亚基、GSK3β等已知互作蛋白的结合外，还发现了多个新的互作蛋白，如DYRK1A、VAPA/B、p62等。基因集富集分析提示 AKAP11 参与泛素连接酶结合和自噬等过程。随后的免疫印迹分析发现，Akap11-/- 小鼠大脑中PKA的调节亚基和催化亚基的蛋白质水平出现了惊人的升高（约6-9倍），且这种升高存在于所有检测的脑区和年龄（4周、12周、28周），但mRNA水平无显著变化，表明 AKAP11 在蛋白质水平调控PKA的稳定。相比之下，Akap11+/- 小鼠中PKA的升高幅度小得多。
突触蛋白质组与磷酸化蛋白质组分析：鉴于PKA在突触可塑性中的关键作用，研究者进一步对纯化的突触后致密质组分进行了定量蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学分析，样本取自4周龄（幼年）和12周龄（青年）小鼠的皮层。质谱数据显示，在 Akap11-/- 小鼠的突触中，PKA催化亚基是上调最显著的蛋白质之一。更重要的是，磷酸化蛋白质组学分析发现，大量已知的PKA底物磷酸化水平在 Akap11-/- 突触中显著升高，且这些磷酸化位点侧翼序列高度富集PKA的特征性基序。PTM-SEA分析也证实了PKA底物磷酸化的增强。其中，AMPAR亚基GluA1的S845位点（PKA磷酸化位点）磷酸化水平急剧增加。这些结果表明，AKAP11 的缺失导致突触内PKA的活性和底物磷酸化水平异常升高。
电生理学验证：为了直接检验突触功能，研究者在6-8周龄小鼠的海马切片上进行了电生理记录。结果显示，Akap11-/- 小鼠在theta波爆发刺激诱导的早期长时程增强幅度上略有降低，并且表现出增强的成对脉冲易化，提示突触前释放概率可能降低。这些变化可能与突触蛋白质组中观察到的RIM1、SNAP25等蛋白的磷酸化改变有关。
转录组学与细胞类型特异性分析：为了在全脑范围和特定细胞类型中探究 AKAP11 缺失的影响，研究者对多个脑区（前额叶皮层、体感皮层、纹状体、海马、丘脑、黑质）进行了bulk RNA-seq，并对前额叶皮层和纹状体进行了单核RNA测序，样本同样覆盖4周和12周龄。bulk RNA-seq发现，纹状体是受 Akap11 缺失影响最显著的脑区，尤其是在 Akap11-/- 小鼠中。基因集富集分析显示，与突触功能、氧化磷酸化、核糖体等相关的通路在多个脑区发生改变。单核RNA测序进一步揭示，纹状体中直接通路和间接通路的棘状投射神经元是受转录组变化影响最大的细胞类型。分析还发现多个神经调质系统相关基因的表达改变，如五羟色胺受体、腺苷受体、胆碱能相关基因等，提示纹状体的神经调制环境发生了紊乱。
活体纹状体PKA动力学与多巴胺信号研究：基于上述发现，特别是纹状体的显著变化和PKA的核心作用，研究者使用光纤荧光寿命光度测定技术，在活体清醒小鼠的伏隔核（腹侧纹状体）内实时测量了PKA的活性。他们使用了基于荧光寿命的PKA活性报告分子FLIM-AKAR。结果显示，Akap11-/- 小鼠纹状体神经元的基线PKA活性显著高于野生型。进一步，通过腹腔注射多巴胺受体拮抗剂发现，尽管 Akap11-/- 小鼠基线PKA活性已很高，但D2受体拮抗剂（抑制抑制性通路）仍能进一步大幅升高其PKA活性，而D1受体拮抗剂（抑制兴奋性通路）则能导致更大幅度的PKA活性下降。这表明 AKAP11 缺失虽然抬高了PKA活性的基线，但并未阻塞其对多巴胺信号的动态响应范围，反而扩大了其动态范围。行为学上，Akap11-/- 小鼠对苯丙胺（安非他命）诱导的运动亢进反应表现出异常的延长时间，这与其纹状体多巴胺-PKA信号传导的强度和时程异常延长相一致。
本研究的主要结论是：AKAP11 是大脑中PKA蛋白质稳态的关键调节因子，其功能缺失导致PKA蛋白水平和激酶活性（尤其是在突触部位）的异常升高。这种分子层面的紊乱在神经环路层面，特别影响了纹状体棘状投射神经元的功能。纹状体中异常升高的PKA活性，改变了下游多巴胺信号传导的强度和时程，最终导致与精神分裂症和双相情感障碍相关的行为表型，如活动异常、认知缺陷和抑郁样行为。因此，本研究成功地将一个高遗传风险基因（*AKAP11*）的分子功能（调控PKA降解）与特定脑区（纹状体）的神经环路功能障碍（多巴胺-PKA信号失调）以及行为异常连接起来，为理解精神疾病的病理生理机制提供了一个清晰、有遗传学依据的动物模型范例。
本研究的科学价值在于：1）首次系统揭示了 AKAP11 在大脑中的分子和细胞功能，特别是其作为PKA蛋白稳态“刹车”的关键作用。2）将PKA信号通路的失调（而非仅仅是多巴胺水平）置于精神疾病纹状体环路功能障碍的核心位置，提供了新的机制视角。3）展示了从罕见、高外显率风险基因出发，通过多组学整合分析发现疾病核心病理机制的强大研究范式。应用价值在于：AKAP11-PKA通路可能成为未来药物开发的新靶点。此外，研究提示 Akap11+/- 杂合突变体的表型相对温和，但可能在环境应激（如激活自噬）下被加剧，这为研究基因-环境互作提供了线索。
本研究的亮点包括：1）重要发现：明确 AKAP11 通过调控PKA的蛋白质降解来维持其稳态，其缺失导致突触PKA活性普遍异常升高，这是连接该基因与疾病风险的核心分子事件。2）方法新颖性：采用了极其全面的多组学纵向研究策略，结合了蛋白质互作组、突触蛋白质/磷酸化组、跨脑区和年龄的转录组以及单细胞水平的转录组，提供了前所未有的全景视图。3）技术整合：将组学发现与活体实时PKA活性检测（光纤荧光寿命测定）巧妙结合，直接在行为背景下验证了分子变化的功能性后果，实现了从分子到环路的闭环验证。4）研究对象的特殊性：AKAP11 作为相对特异于精神分裂症-双相障碍谱系的风险基因，其模型避免了与其他广泛神经发育障碍的严重混杂，更适合研究成年期发病的精神病性障碍的核心机制。
其他有价值的发现包括：研究观察到在 Akap11 突变小鼠中，与能量代谢（氧化磷酸化）和蛋白质合成（核糖体）相关的基因通路也发生显著改变，这与人类患者脑组织及其他精神疾病动物模型中的发现一致，提示这些可能是精神疾病中共通的下游细胞病理过程。此外，星形胶质细胞中的胆固醇合成通路与神经元中的突触相关基因表达呈现协同下调，提示神经元-胶质细胞的相互作用失调可能在疾病中扮演角色。这些发现为进一步探索精神疾病的跨诊断病理机制提供了方向。