神经元 PAS 结构域蛋白 2； NPAS2

PAS 超家族 4 的成员；MOP4

HGNC 批准的基因符号：NPAS2

细胞遗传学位置：2q11.2 基因组坐标（GRCh38）：2:100,818,723-100,996,829（来自 NCBI）

▼ 说明

NPAS2 是转录因子基本螺旋-环-螺旋/Per-Arnt-Sim（bHLH-PAS）家族的成员。它选择性地在中枢神经系统中表达（Zhou et al., 1997）。

▼ 克隆与表达

通过搜索 EST 数据库，Zhou 等人（1997）鉴定了编码 2 种新型 bHLH-PAS 蛋白 NPAS1（603346）和 NPAS2 的人类和小鼠 cDNA。预测的 824 个氨基酸的人 NPAS2 蛋白与小鼠 Npas2 具有 87% 的序列同一性。对小鼠组织的 Northern 印迹分析表明，Npas2 主要在大脑中表达。原位杂交表明，Npas2 mRNA 在小鼠脑中的分布模式广泛而复杂，并且与 Npas1 的分布很大程度上不重叠。霍格内施等人（1997）将 NPAS2 鉴定为 MOP4（PAS 超家族 4 的成员）。

通过人类睾丸的免疫组织化学，Ramasamy 等人（2015）证明 NPAS2 在睾丸小管内的生殖细胞以及间质内的 Leydig 细胞中表达。

▼ 测绘

通过体细胞和辐射混合组的分析，Zhou 等人（1997）将 NPAS2 基因定位到人类染色体 2q13。通过种间回交，他们将小鼠 Npas2 基因定位到 1 号染色体的一个区域，显示与人类 2q13 的同线性同源性。

▼ 基因功能

麦克纳马拉等人（2001）报道了核受体 RARA（180240）和 RXRA（180245）与 CLOCK（601851）和 MOP4 之间的激素依赖性相互作用。他们发现这些相互作用对血管细胞中时钟基因表达的 CLOCK-BMAL1 和 MOP4-BMAL1 异二聚体介导的转录激活产生负调节。MOP4 在脉管系统中表现出强大的节律，而视黄酸可以在体内和体外血清诱导的平滑肌细胞中相移 PER2（603426） mRNA 节律，为时钟基因表达的激素控制提供分子机制。麦克纳马拉等人（2001）提出，核激素的昼夜节律或周期性可用性可能在重置外周血管时钟中发挥关键作用。

为了研究 NPAS2 的生物学作用，Reick 等人（2001）制备了能够条件诱导 NPAS2:BMAL1 异二聚体的神经母细胞瘤细胞系，并通过代表性差异分析、DNA 微阵列和 Northern 印迹鉴定了假定的靶基因。NPAS2 和 BMAL1 的共诱导激活内源性 Per1（602260）、Per2 和 Cry1（601933）基因的转录，这些基因编码昼夜节律调节装置的负激活成分，并抑制内源性 BMAL1 基因的转录。对处于 24 小时光暗循环的野生型小鼠额叶皮层的分析表明，Per1、Per2 和 Cry1 mRNA 水平在黑暗期间升高，在光照期间降低，而 BMAL1 mRNA 显示相反的模式。对持续黑暗中的小鼠进行的原位杂交测定表明，在 NPAS2 缺陷小鼠中，Per2 mRNA 丰度不会随着昼夜节律周期而波动。因此，NPAS2 可能是哺乳动物前脑分子钟的一部分。

鲁特等人（2001）证明 Clock:BMAL1（601851; 602550）和 NPAS2:BMAL1 异二聚体的 DNA 结合活性受到纯化系统中烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）辅因子的氧化还原状态的调节。氧化还原辅助因子 NAD（H）和 NADP（H）的还原形式可强烈增强 Clock:BMAL1 和 NPAS2:BMAL1 异二聚体的 DNA 结合，而氧化形式则具有抑制作用。鲁特等人（2001）提出了食物、神经元活动或两者可能通过直接调节细胞氧化还原状态来控制生物钟的可能性。

迪乌姆等人（2002）证明 NPAS2 的两个 PAS 结构域作为辅基结合血红素，并且血红素状态控制体外 DNA 结合。NPAS2-BMAL1 异二聚体以 apo（无血红素）或 Holo（负载血红素）状态存在，在 NADPH 还原形式和氧化形式的有利还原比下强烈结合 DNA。低小分子浓度的一氧化碳抑制holo-NPAS2的DNA结合活性，但不抑制apo-NPAS2的DNA结合活性。暴露于一氧化碳后，以 NPAS2-BMAL1 异二聚体为代价形成无活性的 BMAL1 同二聚体。迪乌姆等人（2002）得出结论，NPAS2 的异二聚化以及可能的其靶基因的表达是通过他们描述的基于血红素的传感器由气体调节的。

NPAS2 具有血红素结合基序。血红素通过抑制一氧化碳反应中的 DNA 结合来控制体外 BMAL1-NPAS2 转录复合物的活性。Kaasik 和 Lee（2004）在小鼠中证明，血红素通过涉及 Npas2 和 Per2 的机制差异调节体内周期基因 Per1 和 Per2 的表达。他们表明，Per2 积极刺激 Bmal1-Npas2 转录复合物的活性，反过来，Npas2 转录调节 δ-氨基乙酰丙酸合酶（ALAS1；125290）。维生素 B12 和血红素竞争结合 Npas2 和 Per2，但它们对体内 Per2 和 Per1 表达具有相反的作用。Kaasik 和 Lee（2004）证明生物钟和血红素生物合成是相互调节的。

为了从系统层面理解调节生物钟的转录回路，Ueda 等人（2005）在对进化保守的顺式元件的全面监测和转录动力学的测量中，鉴定了 16 个时钟和时钟控制基因上的时钟控制元件。上田等人（2005）发现 E 框（CACGTG）和 E-prime 框（CACGTT）控制 Per1、Nr1d2（602304）、Per2、Nr1d1（602408）、Dbp（124097）、Bhlhb2（604256）和 Bhlhb3（606200）的表达）转录遵循阻遏蛋白先于激活蛋白的模式，导致转录活性延迟。RevErbA/ROR（600825）结合元件通过抑制子-先于激活子模式调节 Arntl（602550）、Npas2、Nfil3（605327）、Clock（601851）、Cry1（601933）和 Rorc（602943）的转录活性，如下所示出色地。DBP/E4BP4 结合元件通过抑制子-反相-激活子机制控制 Per1、Per2、Per3（603427）、Nr1d1、Nr1d2、Rora（600825）和 Rorb（601972）的表达，该机制产生高振幅转录活动。上田等人（2005）认为 E/E-prime 框的调节是哺乳动物生物钟的拓扑脆弱性，这一概念已使用体外表型测定系统进行了功能验证。

▼ 分子遗传学

关联待确认

在 3 个不育的土耳其兄弟中，Ramasamy 等人（2015）鉴定了 NPAS2 基因（603347）中 P455A 错义突变的纯合性，该突变与家族中的疾病分离，并且在 500 个土耳其外显子组或 1000 个基因组或外显子组变异服务器数据库中未发现。取代发生在非保守残基处，计算机分析预测这种变化是良性或中性的；未进行功能分析。作者认为 NPAS2 是非梗阻性无精子症的潜在致病基因。兄弟俩年龄分别为33岁、35岁和37，有不孕史，睾丸较小，FSH水平升高，睾酮水平在正常范围。接受显微解剖睾丸精子提取的两兄弟中，其中一人没有精子，而另一兄弟成功取出精子，随后与伴侣临床妊娠并活产。

▼ 动物模型

NPAS2 基因表达开始发生在出生后发育的第一周，仅限于神经元，并且分布在前脑核的刻板模式内（Zhou 等，1997）。这种表达模式在时间上与学习和记忆的个体发育相匹配，在空间上与额叶关联/边缘前脑通路相匹配。加西亚等人（2000）通过定向破坏并插入 β-半乳糖苷酶（参见 230500）报告基因（lacZ），产生了 Npas2 缺陷小鼠，导致产生缺乏 bHLH 结构域的 Npas2。Npas2-lacZ 的神经解剖学表达在时间和空间上与成熟额叶联合/边缘前脑通路的形成一致。在 Npas2-lacZ 纯合子小鼠的皮层、海马、纹状体、杏仁核和丘脑中观察到 Npas2-lacZ 表达，但在小脑或脑干中未观察到 Npas2-lacZ 表达。Npas2-lacZ 表达在大脑中高度富集，但在视交叉上核和松果体中不表达。形态学研究显示，与杂合子或野生型同窝动物相比，Npas2-lacZ -/- 动物没有变化。Npas2-lacZ 小鼠具有生育能力、活跃，并且在形态上与杂合子或野生型同窝小鼠没有区别。对 Npas2 缺陷的雄性小鼠进行了一系列行为测试，结果发现在暗示和情境恐惧任务的长期记忆臂中表现出缺陷。结果表明，Npas2-lacZ -/- 小鼠缺乏复杂的情绪长期记忆，但不缺乏非情绪记忆、焦虑或简单的厌恶调节任务。因此，加西亚等人（2000）得出结论，NPAS2 可能在特定类型记忆的获取中发挥专门的调节作用。

为了研究 NPAS2 在昼夜节律行为表现中的作用，Dudley 等人（2003）研究了 Garcia 等人培育的 Npas2 缺陷小鼠的运动活动、睡眠模式以及对光和限制性食物驱动的适应性（2000）。达德利等人（2003）将 Npas2 缺陷小鼠与 C57BL/6J 背景回交 9 代。Npas2缺失小鼠可重复地表现出23.5小时的较短固有周期，在持续黑暗的条件下持续至少48天。与此形成鲜明对比的是，在类似条件下研究的时钟缺失小鼠表现出周期延长，随后昼夜节律迅速恶化。Npas2 缺失小鼠的夜间跑轮活动量比野生型同窝小鼠高 19.4%。Npas2缺失小鼠在适应限制喂养方面受到损害。达德利等人（2003）发现 NPAS2 在维持正常光/暗和进食条件下的昼夜节律行为方面发挥着实质性作用，并且 NPAS2 对于食物限制的适应性至关重要。

弗兰肯等人（2006）发现与野生型相比，Npas2 缺失小鼠的非快速眼动（NREM）睡眠时间减少。Npas2 的缺乏会影响丘脑皮质起源的脑电图活动。此外，与野生型小鼠相比，Npas2 缺失小鼠的睡眠剥夺后 Per2 皮质表达的增加有所减少。研究结果表明，Npas2 在睡眠稳态中发挥作用，最有可能在丘脑和皮质水平上发挥作用。