孤独症的神经生物学研究

仇子龙，李霄

孤独症的神经生物学研究

仇子龙，李霄

孤独症在1946年由美国医生Kanner发现并命名，其主要在幼儿中出现，临床症状有语言发育迟缓、社交沟通障碍及重复刻板行为等。近年来孤独症的临床发病率日益飙升，引起世界各国的广泛重视。经过医生与神经科学家数十年的临床与基础研究，目前认为孤独症/孤独症谱系障碍是一种复杂的神经发育性疾病（neurodevelopmental disorder），主要由遗传因素导致。本文从遗传分析，神经生物学研究及动物模型的构建角度逐一讨论孤独症研究的各个方面，并将国内近年来对孤独症研究在这些方面取得的进展逐一介绍，最后对孤独症的神经生物学研究进行总结与展望。

1　遗传分析

孤独症最早被发现时曾经被误认为是由父母的不当行为导致的疾病，直到发现孤独症的发病率在双生子及遗传关系密切的人群显著升高，研究者才认识到遗传因素在孤独症的发病中占有重要地位，对孤独症人群的大规模遗传分析因此展开。近年来，世界各国都对多个孤独症的核心家系及孤独症的散发人群开展了大规模基因组关联分析（genome-wide association study）。但令人困惑的是，这些研究结果发现了众多基因突变位点与孤独症相关，但是却没有某几种基因占主导地位，表现为许多孤独症相关突变位点仅仅占整体孤独症基因突变的极少部分。

这些研究为孤独症的神经生物学研究提供了重要线索，首先提示作为一种复杂精神疾病的孤独症，很可能是一种多基因多位点致病的疾病。其次，在遗传分析中发现的突变基因呈现出功能上可以细分的几大类，例如突触蛋白编码基因与神经发育相关蛋白编码基因等，进一步提示孤独症与神经系统的发育特别是突触的正常功能失调密切相关。

随着人类基因组计划的完成，研究者对人类基因组的变异类型有了崭新的认识。2007年，美国冷泉港实验室Wigler教授研究组发现染色体区段的原发性拷贝数变异（de novo copy number variations）与孤独症密切相关，这为孤独症遗传分析提供了新角度。

中国科学家在孤独症遗传学研究领域也作出了突出贡献。北京大学医学部张岱教授研究组对中国的孤独症遗传学分析做了长期系统的工作，2004年报道在中国的孤独症患者中语言相关基因FoxP2与孤独症的发生具有相关性，该发现为语言发育在孤独症发病机理中的研究提供了重要证据。中南大学夏昆教授研究组报道了在中国孤独症人群中进行大规模基因组关联分析的工作，发现了与孤独症密切相关的染色体新区段。鉴于孤独症与遗传因素关系密切，因此针对不同人种的孤独症遗传学研究非常重要。对欧美高加索人群中报道的孤独症遗传因素是否可以应用于东亚人群需要进行细致的研究。

2　神经生物学研究

孤独症的遗传学研究发现了大量在孤独症人群中发生突变的基因，这些基因突变究竟是否与孤独症相关？在用遗传学方法很难确认孤独症的发病基因时，就需要利用神经生物学的方法来研究这些基因突变是否会对神经系统的发育及功能造成影响而导致孤独症。

在对孤独症的遗传分析中发现许多突触蛋白的编码基因发生突变，如shank3，neuroligins，neurexins 及cntnap 等。因此孤独症的神经生物学研究工作需要解决两大问题：在孤独症中发生的基因突变是否影响其编码蛋白的正常功能及神经突触传导？在含有同样基因突变的动物模型中，是否有可能再现类似孤独症的症状？在过去的10年中对这两大问题进行了深入的研究。

对在孤独症病人中发生突变的一系列基因的功能进行了系统地研究，其中功能研究相对深入的是neuroligins与neurexins家族蛋白。neuroligins与neurexins家族蛋白在20世纪90年代被发现是与突触形成与功能有关的重要黏连蛋白。美国斯坦福大学Sudhof教授研究组发现，在孤独症中发生突变的neuroligin3 （R451C）蛋白影响了小鼠大脑中的抑制性突触传导，并且携neuroligin3 （R451C）突变的小鼠发生了类似人类孤独症的症状，包括减少小鼠之间的社会交往行为等。另外一个重要的家族蛋白neuroligin4编码基因缺失小鼠也表现出类似孤独症的表型。

东南大学谢维与韩俊海教授研究组在利用果蝇（Drosophila melanogaster）为模式生物研究neuroliginneurexin功能方面有重要进展，他们发现果蝇中neuroligin家族蛋白也对突触的功能非常重要，neuroligin4基因编码蛋白对睡眠有重要调控作用以及neurexin蛋白作为分子伴侣的新功能。这些工作为深入了解neuroligin-neurexin家族蛋白的功能作出了重要贡献。

近年来的重要进展还包括对shank3基因在孤独症中的研究。shank3基因是最早几个在孤独症中发现的突变基因之一，而且编码重要的突触后细胞骨架蛋白，因此shank3基因的突变是否是导致孤独症的原因便成为研究热点。2011年，美国冯国平与姜永辉教授研究组同时报道在shank3基因突变小鼠中发现了类孤独症的表型及一系列突触的发育及功能异常。这些工作进一步确认突触蛋白的功能异常可导致一系列类孤独症及精神疾病的症状。

与孤独症密切相关的突触黏连蛋白还有cntnap（contactin-associated protein）家族，其中cntnap2，4基因的突变在孤独症及其他精神疾病的病患中都被发现。加州大学洛杉矶分校 Geschwind 教授研究组发现，cntnap2基因缺失小鼠具有一系列类孤独症表型及神经系统发育异常，建立起cntnap家族蛋白与孤独症及神经系统发育疾病的联系。纽约大学Fishell教授研究组发现，cntnap4蛋白特异性地在抑制性中间神经元及多巴胺神经元中表达，而且缺失cntnap4基因的小鼠也表现出一系列的突触传导异常及类精神疾病表型。

这些证据都表明，孤独症确实与大脑中突触传导的功能异常有关。除了突触蛋白编码基因突变以外，近年来还发现在孤独症病人中甲基化DNA结合蛋白MeCP2（methyl CpG-binding protein 2）的编码基因出现拷贝数的倍增。MeCP2是一个甲基化DNA结合蛋白，具有抑制基因表达的重要功能。

美国贝勒医学院的Zoghbi教授研究组发现一种严重的神经发育性疾病瑞特综合征（Rett syndrome）与MECP2基因突变密切相关，95%的瑞特综合征病人携带MECP2基因的缺失功能突变。瑞特综合征患者因为有部分与孤独症患者类似的表型，早期也被归为孤独症谱系障碍的一种（autism spectrum disorders，ASD）。因此，这些证据表明基因表达的表观遗传学调控与神经系统的发育与功能密切相关，失调可能导致神经发育性疾病。美国贝勒医学院Rosenmund教授研究组进而发现，MeCP2蛋白具有双向调控突触传导的活性，MeCP2蛋白缺失后神经元之间的兴奋性突触传导受损，MeCP2蛋白增多则神经元之间的兴奋性突触传导增强。人们陆续制作了多种MECP2基因敲除与转基因的小鼠模型，并发现携带人类mecp2基因的转基因小鼠表现出焦虑水平上升及社会交往行为缺陷等类孤独症表型。

2003年，美国哈佛大学Greenberg教授研究组与加州大学洛杉矶分校的孙毅教授研究组发现，MeCP2在神经元中可以调控重要的神经营养因子——脑源性营养因子（brain-derived neurotrophin factor， BDNF）的表达，进而提示MeCP2可以通过调控基因表达而影响突触的发育及可塑性。本实验室最近发现，MeCP2除了调控基因转录，还具备抑制核内小RNA剪切加工的活性，可调控众多的小RNA剪切加工并影响神经元的树突生长及突触形成。发现，MeCP2的过多及过少可双向调控神经元中小RNA的水平进而调控靶基因的表达量，此工作为因MeCP2蛋白的剂量不同而导致孤独症或瑞特综合征提供了可能的机理解释。

对于孤独症的神经生物学研究已经取得许多进展，包括对孤独症中发生突变基因的功能等。这些研究结果初步提示，是基因突变导致神经系统中突触发育异常从而导致神经发育出现紊乱，进而很有可能在整体水平表现出复杂的精神症状，包括社交障碍及重复刻板行为等。但是对于孤独症的神经生物学研究最终还必须在整体动物水平进行，包括对携带基因突变的动物的神经发育情况及行为表型进行研究。因此，建立可靠的动物模型对孤独症的研究至关重要。

3　孤独症动物模型

在过去的数年中，研究者制作了众多动物模型用于孤独症研究。2007年，美国加州理工学院的Patterson教授研究组发现，用给怀孕母鼠注射白介素6（IL6）的方法可以诱导子代小鼠出现明显的类孤独症与精神分裂症表型，这种方法被称为母体免疫激活（maternal immune activation，MIA）。接着发现，在MIA诱导的类孤独症小鼠模型中出现了代谢系统紊乱，及利用某些药物可显著改善MIA小鼠模型的孤独症表型。这些结果令人振奋，但同时必须认识到，孤独症的起因多种多样，用MIA的方法诱导模型是否能够完全模拟人类的孤独症表型还需深入研究。例如，将MIA模型与其他的遗传基因突变小鼠进行仔细比较，研究在MIA 模型中出现的代谢异常是否也会在其他孤独症小鼠模型中出现等。

近年来，研究者还利用基因工程的方法将人类孤独症中突变基因的小鼠同源基因进行敲除与突变而得到了许多基因突变小鼠。对这些基因突变小鼠开展了上文提到的多方面的神经生物学研究，包括神经发育、突触形成与传导，以及行为学上的分析等。但是对于怎样用啮齿类来模拟人类的复杂精神疾病症状始终是研究者反复探讨的课题。是否可以用更接近人类的非人灵长类来制作孤独症模型便成为了孤独症研究领域的挑战。近年来，新型快速基因编辑方法的出现为在非人灵长类中操控基因提供了可能。

2014年上半年，中国科学家陆续报道了利用非人灵长类制作疾病动物模型的工作。中国科学院昆明动物研究所季维智、同济大学孙毅教授的团队及本实验室与中国科学院上海神经科学研究所孙强研究员的团队都报道了利用TALEN打靶的方法得到了与瑞特综合征及孤独症谱系障碍关系密切的mecp2基因突变食蟹猴。其中，本实验室与孙强研究员的工作发现，携带mecp2基因突变的雄性食蟹猴出生后死亡，大脑组织中检测到显著的MeCP2蛋白缺失，这些样品为进一步研究MeCP2在灵长类大脑发育中的作用提供了宝贵的材料。

4　孤独症研究的现状与未来

孤独症是一种异常复杂的神经发育性疾病，其病因呈现出遗传上的异质性，对神经科学的研究提出了巨大挑战。同时让我们认识到，人类的复杂社交行为有可能是通过复杂的神经环路来调控的，并且为深入认识人类社交行为的神经环路基础提供了重要的线索。接下来，还需要在分子细胞、神经环路及整体动物水平上深入探讨孤独症相关基因突变究竟怎样影响哺乳类大脑的功能性联接与功能。还需要在多种动物水平构建更合适的动物模型用于基础研究。只有对孤独症的神经基础有了进一步认识，有效的药物及物理干预方法才有可能出现，这期待多学科的交叉合作，共同完成这一神经科学与医学上的重大难题。♦

（摘自《中国科学：生命科学》2015年第8期）

责任编辑：吴晓丽

【作者单位：中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所】