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孤獨(dú)癥的神經(jīng)生物學(xué)研究
目前認(rèn)為孤獨(dú)癥/孤獨(dú)癥譜系障礙是一種復(fù)雜的神經(jīng)發(fā)育性疾病，主要由遺傳因素導(dǎo)致，以下是一篇關(guān)于孤獨(dú)癥神經(jīng)生物學(xué)研究的論文范文，供大家閱讀參考。
孤獨(dú)癥在1946 年由美國(guó)醫(yī)生Kanner 發(fā)現(xiàn)并命名，其主要在幼兒中出現(xiàn)， 臨床癥狀有語言發(fā)育遲緩、社交溝通障礙及重復(fù)刻板行為等[1]. 近年來孤獨(dú)癥的臨床發(fā)病率日益飆升， 引起世界各國(guó)的廣泛重視[2]. 經(jīng)過醫(yī)生與神經(jīng)科學(xué)家數(shù)十年的臨床與基礎(chǔ)研究， 目前認(rèn)為孤獨(dú)癥/孤獨(dú)癥譜系障礙是一種復(fù)雜的神經(jīng)發(fā)育性疾病(neurodevelopmental disorder)， 主要由遺傳因素導(dǎo)致。 本文從遺傳分析， 神經(jīng)生物學(xué)研究及動(dòng)物模型的構(gòu)建角度逐一討論孤獨(dú)癥研究的各個(gè)方面， 并將國(guó)內(nèi)近年來對(duì)孤獨(dú)癥研究在這些方面取得的進(jìn)展逐一介紹，最后對(duì)孤獨(dú)癥的神經(jīng)生物學(xué)研究進(jìn)行總結(jié)與展望。
1、遺傳分析
孤獨(dú)癥最早被發(fā)現(xiàn)時(shí)曾經(jīng)被誤認(rèn)為是由父母的不當(dāng)行為導(dǎo)致的疾病， 直到發(fā)現(xiàn)孤獨(dú)癥的發(fā)病率在雙生子及遺傳關(guān)系密切的人群顯著升高， 研究者才認(rèn)識(shí)到遺傳因素在孤獨(dú)癥的發(fā)病中占有重要地位，對(duì)孤獨(dú)癥人群的大規(guī)模遺傳分析因此展開。 近年來，世界各國(guó)都對(duì)多個(gè)孤獨(dú)癥的核心家系及孤獨(dú)癥的散發(fā)人群開展了大規(guī)模基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wideassociation study)[3,4]. 但令人困惑的是， 這些研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了眾多基因突變位點(diǎn)與孤獨(dú)癥相關(guān)， 但是卻沒有某幾種基因占主導(dǎo)地位， 表現(xiàn)為許多孤獨(dú)癥相關(guān)突變位點(diǎn)僅僅占整體孤獨(dú)癥基因突變的極少部分。
這些研究為孤獨(dú)癥的神經(jīng)生物學(xué)研究提供了重要線索， 首先提示作為一種復(fù)雜精神疾病的孤獨(dú)癥，很可能是一種多基因多位點(diǎn)致病的疾病。 其次， 在遺傳分析中發(fā)現(xiàn)的突變基因呈現(xiàn)出功能上可以細(xì)分的幾大類， 例如突觸蛋白編碼基因與神經(jīng)發(fā)育相關(guān)蛋白編碼基因等， 進(jìn)一步提示孤獨(dú)癥與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育特別是突觸的正常功能失調(diào)密切相關(guān)[5].
隨著人類基因組計(jì)劃的完成， 研究者對(duì)人類基因組的變異類型有了嶄新的認(rèn)識(shí)。 2007 年， 美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室 Wigler 教授研究組發(fā)現(xiàn)染色體區(qū)段的原發(fā)性拷貝數(shù)變異(de novo copy number variations)與孤獨(dú)癥密切相關(guān)， 這為孤獨(dú)癥遺傳分析提供了新角度[6].中國(guó)科學(xué)家在孤獨(dú)癥遺傳學(xué)研究領(lǐng)域也作出了突出貢獻(xiàn)。 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部張岱教授研究組對(duì)中國(guó)的孤獨(dú)癥遺傳學(xué)分析做了長(zhǎng)期系統(tǒng)的工作， 2004年報(bào)道在中國(guó)的孤獨(dú)癥患者中語言相關(guān)基因 FoxP2 與孤獨(dú)癥的發(fā)生具有相關(guān)性， 該發(fā)現(xiàn)為語言發(fā)育在孤獨(dú)癥發(fā)病機(jī)理中的研究提供了重要證據(jù)[7]. 中南大學(xué)夏昆教授研究組報(bào)道了在中國(guó)孤獨(dú)癥人群中進(jìn)行大規(guī)模基因組關(guān)聯(lián)分析的工作， 發(fā)現(xiàn)了與孤獨(dú)癥密切相關(guān)的染色體新區(qū)段[8]. 鑒于孤獨(dú)癥與遺傳因素關(guān)系密切， 因此針對(duì)不同人種的孤獨(dú)癥遺傳學(xué)研究非常重要。 對(duì)歐美高加索人群中報(bào)道的孤獨(dú)癥遺傳因素是否可以應(yīng)用于東亞人群需要進(jìn)行細(xì)致的研究。
2、神經(jīng)生物學(xué)研究
孤獨(dú)癥的遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了大量在孤獨(dú)癥人群中發(fā)生突變的基因， 這些基因突變究竟是否與孤獨(dú)癥相關(guān)? 在用遺傳學(xué)方法很難確認(rèn)孤獨(dú)癥的發(fā)病基因時(shí)， 就需要利用神經(jīng)生物學(xué)的方法來研究這些基因突變是否會(huì)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育及功能造成影響而導(dǎo)致孤獨(dú)癥。
在對(duì)孤獨(dú)癥的遺傳分析中發(fā)現(xiàn)許多突觸蛋白的編碼基因發(fā)生突變， 如 shank3, neuroligins, neurexins及 cntnap2 等。 因此孤獨(dú)癥的神經(jīng)生物學(xué)研究工作需要解決兩大問題： 在孤獨(dú)癥中發(fā)生的基因突變是否影響其編碼蛋白的正常功能及神經(jīng)突觸傳導(dǎo)? 在含有同樣基因突變的動(dòng)物模型中， 是否有可能再現(xiàn)類似孤獨(dú)癥的癥狀? 在過去的十年中對(duì)這兩大問題進(jìn)行了深入的研究。
對(duì)在孤獨(dú)癥病人中發(fā)生突變的一系列基因的功能進(jìn)行了系統(tǒng)地研究， 其中功能研究相對(duì)深入的是neuroligins 與 neurexins 家族蛋白 . neuroligins 與neurexins 家族蛋白在 20 世紀(jì) 90 年代被發(fā)現(xiàn)是與突觸形成與功能有關(guān)的重要黏連蛋白。 美國(guó)斯坦福大學(xué) Sudhof 教授研究組發(fā)現(xiàn)， 在孤獨(dú)癥中發(fā)生突變的neuroligin3(R451C)蛋白影響了小鼠大腦中的抑制性突觸傳導(dǎo)， 并且攜帶 neuroligin3(R451C)突變的小鼠發(fā)生了類似人類孤獨(dú)癥的癥狀， 包括減少小鼠之間的社會(huì)交往行為等[9]. 另外一個(gè)重要的家族蛋白neuroligin4 編碼基因缺失小鼠也表現(xiàn)出類似孤獨(dú)癥的表型[10].
東南大學(xué)謝維與韓俊海教授研究組在利用果蠅(Drosophila melanogaster)為模式生物研究 neuroligin-neurexin 功能方面有重要進(jìn)展 , 他們發(fā)現(xiàn)果蠅中neuroligin 家族蛋白也對(duì)突觸的功能非常重要 ,neuroligin4 基因編碼蛋白對(duì)睡眠有重要調(diào)控作用以及neurexin蛋白作為分子伴侶的新功能[11~13]. 這些工作為深入了解 neuroligin-neurexin 家族蛋白的功能作出了重要貢獻(xiàn)。
近年來的重要進(jìn)展還包括對(duì) shank3 基因在孤獨(dú)癥中的研究。 shank3 基因是最早幾個(gè)在孤獨(dú)癥中發(fā)現(xiàn)的突變基因之一， 而且編碼重要的突觸后細(xì)胞骨架蛋白， 因此 shank3 基因的突變是否是導(dǎo)致孤獨(dú)癥的原因便成為研究熱點(diǎn)[14]. 2011 年， 美國(guó)馮國(guó)平與姜永輝教授研究組同時(shí)報(bào)道在 shank3 基因突變小鼠中發(fā)現(xiàn)了類孤獨(dú)癥的表型及一系列突觸的發(fā)育及功能異常[15,16]. 這些工作進(jìn)一步確認(rèn)突觸蛋白的功能異�？蓪�(dǎo)致一系列類孤獨(dú)癥及精神疾病的癥狀。
與孤獨(dú)癥密切相關(guān)的突觸黏連蛋白還有 cntnap(contactin-associated protein)家族， 其中 cntnap2,4 基因的突變?cè)诠陋?dú)癥及其他精神疾病的病患中都被發(fā)現(xiàn)[17]. 加州大學(xué)洛杉磯分校 Geschwind 教授研究組發(fā)現(xiàn)， cntnap2 基因缺失小鼠具有一系列類孤獨(dú)癥表型及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常， 建立起 cntnap 家族蛋白與孤獨(dú)癥及神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育疾病的聯(lián)系[18]. 紐約大學(xué)Fishell 教授研究組發(fā)現(xiàn)， cntnap4 蛋白特異性地在抑制性中間神經(jīng)元及多巴胺神經(jīng)元中表達(dá)， 而且缺失cntnap4 基因的小鼠也表現(xiàn)出一系列的突觸傳導(dǎo)異常及類精神疾病表型[19].
這些證據(jù)都表明， 孤獨(dú)癥確實(shí)與大腦中突觸傳導(dǎo)的功能異常有關(guān)。 除了突觸蛋白編碼基因突變以外， 近年來還發(fā)現(xiàn)在孤獨(dú)癥病人中甲基化 DNA 結(jié)合蛋白 MeCP2(methyl CpG-binding protein 2)的編碼基因出現(xiàn)拷貝數(shù)的倍增[20]. MeCP2 是一個(gè)甲基化 DNA結(jié)合蛋白， 具有抑制基因表達(dá)的重要功能[21]. 1999 年，美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院的 Zoghbi 教授研究組發(fā)現(xiàn)一種嚴(yán)重的神經(jīng)發(fā)育性疾病瑞特綜合征(Rett syndrome)與MECP2 基因突變密切相關(guān)， 95%的瑞特綜合征病人攜帶 MECP2 基因的缺失功能突變[22]. 瑞特綜合征患者因?yàn)橛胁糠峙c孤獨(dú)癥患者類似的表型， 早期也被歸 為 孤 獨(dú) 癥 譜 系 障 礙 的 一 種 (autism spectrumdisorders, ASD)。 因此， 這些證據(jù)表明基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育與功能密切相關(guān)，失調(diào)可能導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育性疾病。
美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院的 Rosenmund 教授研究組進(jìn)而發(fā)現(xiàn)， MeCP2 蛋白具有雙向調(diào)控突觸傳導(dǎo)的活性，MeCP2 蛋白缺失后神經(jīng)元之間的興奮性突觸傳導(dǎo)受損， MeCP2 蛋白增多則神經(jīng)元之間的興奮性突觸傳導(dǎo)增強(qiáng)[23]. 人們陸續(xù)制作了多種 MECP2 基因敲除與轉(zhuǎn)基因的小鼠模型， 并發(fā)現(xiàn)攜帶人類mecp2基因的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出焦慮水平上升及社會(huì)交往行為缺陷等類孤獨(dú)癥表型[24].
2003 年， 美國(guó)哈佛大學(xué) Greenberg 教授研究組與加州大學(xué)洛杉磯分校的孫毅教授研究組發(fā)現(xiàn)， MeCP2在神經(jīng)元中可以調(diào)控重要的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-腦源性營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophin factor, BDNF)的表達(dá)， 進(jìn)而提示 MeCP2 可以通過調(diào)控基因表達(dá)而影響突觸的發(fā)育及可塑性[25,26]. 本實(shí)驗(yàn)室最近發(fā)現(xiàn)，MeCP2 除了調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄， 還具備抑制核內(nèi)小 RNA剪切加工的活性， 可調(diào)控眾多的小 RNA 剪切加工并影響神經(jīng)元的樹突生長(zhǎng)及突觸形成[27]. 發(fā)現(xiàn)， MeCP2的過多及過少可雙向調(diào)控神經(jīng)元中小 RNA 的水平進(jìn)而調(diào)控靶基因的表達(dá)量， 此工作為因 MeCP2 蛋白的劑量不同而導(dǎo)致孤獨(dú)癥或瑞特綜合征提供了可能的機(jī)理解釋。
對(duì)于孤獨(dú)癥的神經(jīng)生物學(xué)研究已經(jīng)取得許多進(jìn)展， 包括對(duì)孤獨(dú)癥中發(fā)生突變基因的功能等。 這些研究結(jié)果初步提示， 是基因突變導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)中突觸發(fā)育異常從而導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育出現(xiàn)紊亂， 進(jìn)而很有可能在整體水平表現(xiàn)出復(fù)雜的精神癥狀， 包括社交障礙及重復(fù)刻板行為等。 但是對(duì)于孤獨(dú)癥的神經(jīng)生物學(xué)研究最終還必須在整體動(dòng)物水平進(jìn)行， 包括對(duì)攜帶基因突變的動(dòng)物的神經(jīng)發(fā)育情況及行為表型進(jìn)行研究。 因此， 建立可靠的動(dòng)物模型對(duì)孤獨(dú)癥的研究至關(guān)重要。
3、孤獨(dú)癥動(dòng)物模型
在過去的數(shù)年中， 研究者制作了眾多動(dòng)物模型用于孤獨(dú)癥研究。 2007 年， 美國(guó)加州理工學(xué)院的Patterson 教授研究組發(fā)現(xiàn)， 用給懷孕母鼠注射白介素6(IL6)的方法可以誘導(dǎo)子代小鼠出現(xiàn)明顯的類孤獨(dú)癥與精神分裂癥表型， 這種方法被稱為母體免疫激活(maternal immune activation, MIA)[28]. 接著發(fā)現(xiàn)， 在MIA 誘導(dǎo)的類孤獨(dú)癥小鼠模型中出現(xiàn)了代謝系統(tǒng)紊亂， 及利用某些藥物可顯著改善 MIA 小鼠模型的孤獨(dú)癥表型[29,30]. 這些結(jié)果令人振奮， 但同時(shí)必須認(rèn)識(shí)到， 孤獨(dú)癥的起因多種多樣， 用 MIA 的方法誘導(dǎo)模型是否能夠完全模擬人類的孤獨(dú)癥表型還需深入研究。 例如， 將 MIA 模型與其他的遺傳基因突變小鼠進(jìn)行仔細(xì)比較， 研究在 MIA 模型中出現(xiàn)的代謝異常是否也會(huì)在其他孤獨(dú)癥小鼠模型中出現(xiàn)等。
近年來， 研究者還利用基因工程的方法將人類孤獨(dú)癥中突變基因的小鼠同源基因進(jìn)行敲除與突變而得到了許多基因突變小鼠[9,15,16,18,19,24]. 對(duì)這些基因突變小鼠開展了上文提到的多方面的神經(jīng)生物學(xué)研究， 包括神經(jīng)發(fā)育、突觸形成與傳導(dǎo)， 以及行為學(xué)上的分析等。 但是對(duì)于怎樣用嚙齒類來模擬人類的復(fù)雜精神疾病癥狀始終是研究者反復(fù)探討的課題[31].是否可以用更接近人類的非人靈長(zhǎng)類來制作孤獨(dú)癥模型便成為了孤獨(dú)癥研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。 近年來， 新型快速基因編輯方法的出現(xiàn)為在非人靈長(zhǎng)類中操控基因提供了可能。
2014 年上半年， 中國(guó)科學(xué)家陸續(xù)報(bào)道了利用非人靈長(zhǎng)類制作疾病動(dòng)物模型的工作。 中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所季維智、同濟(jì)大學(xué)孫毅教授的團(tuán)隊(duì)及本實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院上海神經(jīng)科學(xué)研究所孫強(qiáng)研究員的團(tuán)隊(duì)都報(bào)道了利用 TALEN打靶的方法得到了與瑞特綜合征及孤獨(dú)癥譜系障礙關(guān)系密切的 mecp2 基因突變食蟹猴[32,33]. 其中， 本實(shí)驗(yàn)室與孫強(qiáng)研究員的工作發(fā)現(xiàn)， 攜帶mecp2基因突變的雄性食蟹猴出生后死亡， 大腦組織中檢測(cè)到顯著的 MeCP2 蛋白缺失，這些樣品為進(jìn)一步研究 MeCP2 在靈長(zhǎng)類大腦發(fā)育中的作用提供了寶貴的材料[33].
4、孤獨(dú)癥研究的現(xiàn)狀與未來
孤獨(dú)癥是一種異常復(fù)雜的神經(jīng)發(fā)育性疾病， 其病因呈現(xiàn)出遺傳上的異質(zhì)性， 對(duì)神經(jīng)科學(xué)的研究提出了巨大挑戰(zhàn)。 同時(shí)讓我們認(rèn)識(shí)到， 人類的復(fù)雜社交行為有可能是通過復(fù)雜的神經(jīng)環(huán)路來調(diào)控的， 并且為深入認(rèn)識(shí)人類社交行為的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)提供了重要的線索。 接下來， 還需要在分子細(xì)胞、神經(jīng)環(huán)路及整體動(dòng)物水平上深入探討孤獨(dú)癥相關(guān)基因突變究竟怎樣影響哺乳類大腦的功能性聯(lián)接與功能。 還需要在多種動(dòng)物水平構(gòu)建更合適的動(dòng)物模型用于基礎(chǔ)研究。 只有對(duì)孤獨(dú)癥的神經(jīng)基礎(chǔ)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)， 有效的藥物及物理干預(yù)方法才有可能出現(xiàn)， 這期待多學(xué)科的交叉合作， 共同完成這一神經(jīng)科學(xué)與醫(yī)學(xué)上的重大難題。
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