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孤独症谱系障碍研究进展

2016-02-05贾秋利曾序春谷学英谢立春

中国计划生育学杂志 2016年1期
关键词:环境因素表观甲基化

贾秋利 曾序春 谷学英 林 圣 谢立春 段 山

深圳市人口和计划生育科学研究所(518040)



·综述·

孤独症谱系障碍研究进展

贾秋利曾序春谷学英林圣谢立春段山*

深圳市人口和计划生育科学研究所(518040)

1 孤独症谱系障碍

孤独症谱系障碍(ASDs)是一组复杂、普遍的神经发育障碍性疾病,包括孤独症、天使综合征(AS)、雷特综合征(RTS)以及其他非特异性广泛发育障碍(PDD-NOS)等,主要特征为语言发育障碍、社交障碍以及重复刻板的兴趣或行为。流行病学研究显示近年来ASDs的发病率呈显著上升趋势,2008年的一项调查表明ASDs的发病为1.13%[1],而2011年韩国的一项流行病学调查报告显示ASDs的发病率为2.64%[2]。ASDs病因复杂,发病机制不明确,遗传、表观遗传和环境因素都有可能与ASDs发生有关。

近年来采用高密度微阵列比较基因组杂交技术识别了一些与ASDs有关的拷贝数变异位点[3],这些位点约能解释20%的ASDs事件,单基因能解释ASDs事件<1%。双生子和家族性研究确认了ASDs遗传的重要性,家族中同胞再患ASDs的几率为2%~18%[4-6]。而Hallmayer等[7]最近的研究表明,在男性双生子中,同卵双生子共患病比例为77%,异卵双生子共患病比例为31%;在女性双生子中,同卵双生子共患病比例为50%,异卵双生子共患病比例为36%。这些研究不仅表明了性别患病的差异,还暗示了遗传和表观遗传因素都可能参与ASDs的发生。神经元结构和功能的表观遗传调节对神经系统的发育是重要的,而这种调节的改变或破坏有可能引发许多神经发育疾病,其中包括ASDs[8]。

2 孤独症谱系障碍和遗传

细胞遗传学研究发现约2%的ASDs患者被检测到染色体异常,如5p15、15q11-q13、17p11、22q11.2等[9],其中15q11-q13是ASDs患者中异常频率最高的区域,约占ASDs患者的1%[10]。 拷贝数变异(CNVs)增加了染色体结构的亚微观变化,与ASDs相关的CNVs区域包括1q21.2、3q29、7q11.23、7q36.3、15q11.2、15q13.3、16p13.11、17p12、17q12等[11],其中稀有新发CNVs 可能具有病理性作用,如Sebat等[3]研究发现稀有新发CNVs在ASDs单一家庭中的比例约为10%,在多重家庭中的比例约为3%,在普通人群中的比例约为1%。表明在散发病例中新发CNVs可能是ASDs重要危险因素。Marshall等[12]研究发现新发CNVs在单一家庭中的比例约为7.1%,在多重家庭中的比例约为2%。在新发CNVs中,位于16p11.2的新发CNVs得到重视,这一区域包含了突触后密度基因(SHANK3-NLGN4-NRXN1)、突触复合物基因(DPP6-DPP10-PCDH9)等29个基因,其中有22个基因在人类胎脑中表达,与智力障碍、语言障碍、精神分裂症、癫痫等有关,meta分析表明16p11.2约占ASDs事件的0.76%[13]。此外,一些新的基因如SHANK2、SYNGAP1 和 DLGAP2等位于新发CNVs内[14]。

连锁分析普遍适用于单基因遗传病,而ASDs是多基因遗传疾病,连锁分析研究在这方面受到了限制。通过连锁分析识别的ASDs可重复区域包括染色体2q、7q 和17q[15-16]。相对于连锁分析,候选基因的关联研究可能更适用于ASDs,但由于缺少对ASDs病因和基因功能的了解,只有一小部分候选基因通过关联研究得到了确认,如SLC6A4、GABR、RELN、NLGN、MET、EN2、FOXP2、WNT2 和CADPS2等[17-18]。大约有10%的ASDs患者同时患有单基因疾病,因此识别与ASDs相关疾病的单基因也有助于理解ASDs遗传机制,常见基因如FMR1[19]、PTEN[20]等。

基于高通量技术的单核苷酸多态性(SNP)分析有助于更好地阐释SNP在ASDs发病机制中的作用。常见SNP对ASDs的敏感性有着较小的作用,而稀有SNP对ASDs的发生有着较大的影响。二代测序技术将ASDs遗传学分析提高到全基因组或外显子组水平,促进了对ASDs稀有遗传变异的认识,如Sanders等[21]通过外显子组测序发现ASDs患者非同义新发突变显著多于对照组,而且新发突变的数量和父亲的年龄呈正相关,此外他们还发现了SCN2A、KATNAL2和CHD8这3个基因的突变在患者中重复出现。此外,一些分子通路的调控被认为是ASDs发生潜在的关键机制,这些通路包括突触基因转录和翻译通路(FMR1、TSC1、TSC2、PTEN、NF1、CYF1P1),神经细胞粘着分子通路(CNTN4)、泛素化通路(UBE3A、PARK2、TRIM33)、突触脚手架蛋白通路(SHANK2 和SHANK3)、离子通道蛋白通路(CACNA1A、CACNA1H、SCN1A、SCN2A)、神经传递受体通路(GRIN2A、GRIN2B、SLC6A3)、染色质重塑通路(CHD8、BAF155)等,这些通路汇聚在一起可能通过改变神经元的生长等影响了神经元的发育和功能[22-23]。

3 孤独症谱系障碍和环境

虽然ASDs的遗传学发病基础已经被广泛接受,但随着ASDs发病率的增加,基因研究结果的不一致性,同胞双生子发病率小于100%,表明ASDs的发生是众多敏感基因与环境因素相互作用的结果。重金属、农药、药物、感染、营养、父母亲年龄等环境因素被认为是ASDs的调节器[24],环境因素有可能通过遗传的基因敏感性放大这种不利作用,使ASDs发病率增加。产前和出生后早期这一时段被认为是不利环境因素对ASDs影响的关键时期,而产前或出生后早期哪一时段更为重要,不同的研究持有不同的观点,如Ploeger等[25-26]研究认为孕期最初的3个月可能是ASDs发生的关键期;而Yamashita等[27]研究认为孕晚期或出生后早期是ASDs发生的危险期, 但目前还不明确环境因素作用的具体时间和作用机制。

有关环境因素在ASDs中的作用已见于一些报道,如产前母亲患有感染或自身免疫疾病等有可能影响胎儿的免疫系统,增加ASDs发生的风险[28-29]。产前母亲患有并发症如糖尿病等,后代患ASDs的风险大约增加2倍[30]。已报道农药和ASDs的发生有关,如孕期最初8周近距离接触有机氯杀虫剂如三氯杀螨醇和硫丹,出生的后代患ASDs的几率会增加几倍[31]。产前服用药物丙戊酸、萨利多胺等也会增加ASDs发生的风险[32-33]。而通过对血液、尿液、指甲、头发中金属含量的检测发现,ASDs患者体内的毒性金属如Cu、Pb、和Hg的含量要远高于对照组[34-35]。表明ASDs患者分解有毒金属的能力降低,导致体内积存量增加。而且Adams等[35]研究表明Hg在体内的负荷和ASDs的严重性相关。ASDs的发病年龄常见于1~3岁,暗示不适当的营养也可能是一潜在的因素,如Obrenovich等[36]在他们的研究中发现,21%的ASDs患者缺少转酮醇酶和维生素B;Yasuda等[37-39]研究发现ASDs患者体内Zn的含量显著低于对照组以及Cu/Zn比率高于对照组。ASDs患者体内毒性金属的积累和营养不足,表明吸收和代谢也可能参与了ASDs的发生。有关父母亲的年龄对ASDs的影响一直备受关注,meta分析等研究表明父母亲年龄的增加和ASDs的发生有关,而且父亲传递给子代更多新的突变[40-41]。此外,产前应激、空气、水、噪音等都也可能会影响到ASDs的发生。

在环境因素对ASDs的作用中,免疫系统受环境影响应得到重视,如母亲感染或自身免疫疾病会影响胎儿的免疫系统,Zn不足会影响ASDs患者的免疫系统[42],在ASDs患者中检测到TGF-β、CCL2、CCL5、IgM和IgG 等水平升高[43],在ASDs患者母亲的血清中检测到IFN-γ, IL-4, 和 IL-5的水平要高于对照组[44]。Voineagu等[45]通过ASDs与对照组比较发现,下调的209个基因主要和突触功能有关,而参与免疫与炎症反应的235个基因发生上调,下调基因显著地富集在GWS关联信号,而上调基因却没有,进一步表明相关免疫学变化有可能是由环境因素引起的。

4 孤独症谱系障碍和表观遗传

表观遗传修饰主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控,这些调控在没有改变DNA序列的前提下改变了基因的表达水平。DNA甲基化是哺乳动物基因组中最常见的表观遗传修饰。对双生子的研究发现了差异的甲基化图谱,而且DNA甲基化图谱和ASDs症状得分呈显著相关,表明了ASDs表型和表观遗传的变异存在一定的关联性[46]。ASDs中发生表观遗传调节异常的候选基因包括GAD67、Reelin、GABA β3、OXTR、BDNF、UBE3A、EN-2、SHANK3等[47],如Gregory等[48]研究识别了在患者的外周血和尸检脑组织中OXTR的CpG位点-934(hg19:chr3:8,810,807-8,810,808)的异常甲基化与ASDs的发生存在关联。值得一提的是,在额叶皮质中这个位点甲基化的增加和OXTR转录的减少有关,产前和出生后早期EN-2表达的下调参与了小脑浦肯野细胞的成熟,James等[49-50]研究发现ASDs患者EN-2启动子区组蛋白甲基化减少,并检测到EN-2基因表达的增加和EN-2蛋白水平的升高。此外,在ASDs患者中检测到miRNAs的表达异常,如miR-128、miR-15b、miR-27a等[51]。对ASDs表观遗传机制也取得一定进展,如FXS中FMR1-RNA发夹经过Dicer加工产生的siRNAs被包含在基因沉默复合物里面,与DNA中CGG同源区域结合,招募新的DNA甲基转移酶和组蛋白甲基转移酶,引起DNA甲基化和组蛋白修饰,导致异染色质形成和转录抑制[52-53]。在AS中PWS印记中心(PWS imprinting center,PWS-IC)正调控父源性UBE3A-ATS的表达,而UBE3A-ATS以反义RNA机制抑制父源性UBE3A的表达,因此PWS-IC的缺失使UBE3A-ATS表达降低,进而使父源UBE3A mRNA表达的增加[54]。对于携带UBE3A突变的母源性等位基因的AS患者来说,抑制UBE3A-ATS的表达,解除父源性UBE3A等位基因的印记是一种潜在的治疗的靶标[55],如拓扑异构酶1(TOP1)抑制剂即拓扑替康沉默UBE3A-ATS的转录,上调UBE3A的表达[56]。

表观遗传可能是连接遗传和环境的桥梁,如常见营养素维生素D影响到许多生物学过程,如参与DNA修复[57]、脑组织炎症反应[58]等,异常情况下染色质修饰酶与VDR竞争可能通过表观遗传影响基因的表达,已表明母亲维生素D不足可能是孤独症发生的危险因素[59-60],一些研究发现孤独症患者母亲的血清维生素D水平要比对照组水平低[61-62],。此外,叶酸也可能是孤独症发生的危险因素,叶酸-蛋氨酸通路对于DNA合成[63]、DNA甲基化[64]和氧化还原平衡[65]是重要的,在一些孤独症患者中识别出叶酸-蛋氨酸通路的破坏,James等[66-67]研究发现孤独症患者中蛋氨酸、SAM、同型半胱氨酸的水平明显低于对照组,而S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)的水平明显高于对照组。Melnyk等[68]研究发现在孤独症患者中存在氧化蛋白/DNA的破坏和全基因组DNA低甲基化,孤独症中抗氧化和甲基化的缺陷可能和叶酸-蛋氨酸通路的破坏有关。

5 小结和展望

ASDs是一组神经发育障碍,其发生是遗传、环境、表观遗传等多因素作用的结果,双生子和家族性研发现了ASDs的遗传基础,应用现代分子生物学技术发现了ASDs的异常染色体区域、候选基因、SNP位点以及一些重要的致病相关通路等。ASDs发病率的增加以及双生子发病率不一致等表明了环境因素的参与,产前或出生后不利环境如重金属、农药、药物、营养等暴露都有可能影响胎儿脑的发育,导致ASDs的发生。在ASDs已发现一些基因发生表观遗传调控的异常,进而影响了相关基因的表达,而环境有可能正是通过表观遗传影响基因表达的。

尽管对ASDs的研究已取得了一些进展,但还面临着巨大挑战。虽然高通量技术已实现对大量突变的检测,但由于ASDs的高度异质性,使一些研究的可重复性差,而脑组织的样本数量少等也限制了对ASDs在分子机制方面的研究。环境因素是怎样通过表观遗传影响基因表达还需要深入探索。表观遗传在ASDs中的研究还处于初级阶段,表观遗传修饰酶在一定程度上可逆转基因的表达,但是否具有其他的作用还有待进一步验证;各种表观修饰之间的相互关系也需要进一步研究。

虽然全面理解ASDs中发病机制还需要相当长的一段时间,但是随着分子生物学技术的进步,特别是表观基因组计划的实施,更多的表观遗传信息被发现,将发现的表观遗传信息与ASDs中异常基因表达相结合,再与代谢物标志物等生物标志物相联系,在不同层次上理解疾病的发生,将有助于理解ASDs中不同疾病的发病机制。而根据表观遗传的改变可逆转这一特点,逆转表观遗传中关键反应就为ASDs的治疗提供了可能,如运用组蛋白去乙酰化酶(HDAC)和组蛋白乙酰酶(HAT)抑制剂逆转异常基因表达谱,而通过饮食改变表观遗传,将为ASDs的预防和治疗带来新的希望。

总之,ASDs的发生受到遗传、表观遗传和环境因素的影响,环境因素通过表观遗传可能会影响遗传因素,因此深入研究表观遗传在ASDs中的作用,不仅有助于揭示表观遗传机制,还有助于阐明环境因素、表观遗传和遗传三者相互作用对不同发育阶段的影响,对理解ASDs的发病机制不仅具有重要的指导意义,也为ASDs患者的治疗带来新的希望。

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[责任编辑:王丽娜]

基金项目:广东省计生委重点项目—儿童孤独症遗传分子机理研究(2008004);广东省人口计生委2010年重点研究项目-儿童孤独症病残儿家庭分子流行病学及社会支持系统研究(2010103)

收稿日期:2014-09-16修回日期:2015-11-17

*通讯作者:shanduan@hotmail.com

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