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shRNA表达克隆

渐入佳境的ASD生物学研究

Sep 26, 2012 No Comments

科学家们对自闭症谱系病(autism spectrum disorders,即包括典型自闭症和其他阿斯伯格综合症等不典型自闭症在内的一系列疾病)患儿正处于发育阶段的大脑中都有哪些基因的表达出现了异常进行了深入的研究,这些研究成果可以为我们了解自闭症提供一个全新的思路。

自闭症谱系病(autism spectrum disorders, ASD)是一种社交和语言能力障碍同时伴有兴趣高度专一(狭窄)、重复动作等其它表现的疾病,但是ASD患者在遗传和表型方面却有着很大的差异。最近在遗传学、基因组学、神经发育生物学、系统生物学、单基因神经发育疾病(monogenic neurodevelopment syndromes)和诱导多潜能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)等学科取得的研究进展让我们对ASD发病机制的了解又加深了一层,也让科学家们在开发ASD疾病相关治疗手段的工作上又多了一些可借鉴和参考的信息。

在这些发现中最重要的应该就属遗传学的发现了。多个研究都发现罕见的或者新发的点突变(point mutations)和染色体结构上的亚显微结构变异(submicroscopic variations)都和ASD有关。同时也发现一些基因组间隔(genomic intervals)和基因也会增加ASD的患病风险。这些研究成果为我们深入认识ASD的生物学本质打下了坚实的基础。最开始对原发型自闭症患者(非同源的)开展的遗传学研究表明,突触粘附分子(synaptic adhesion molecules)和突触后密度蛋白(postsynaptic density proteins)也都与ASD有关。最近新发现的一些ASD蛋白又进一步扩充了这个队伍,其中就包括染色质修饰物CHD8、DNA结合蛋白POGZ、离子通道蛋白SCN2A、微管相关蛋白KATNAL2、神经递质受体GRIN2B和磷酸化调控的酪氨酸激酶DYRK1A等。

随着相关科学研究的不断深入,科学家们还在陆续发现新的与ASD患病风险相关的基因,现在这类基因的数目已经达到了好几百个,但是其中还没有哪一个基因具有“绝对优势”,每一个基因在整个ASD患者人群中的影响力都不会超过1%。这种“多对一(many-to-one)”的现象表明我们在今后的工作中应该把眼光放宽一点,不要再局限于某一个突变的影响作用。最近的研究带来的另外一个震撼就是在不同的ASD疾病中观察到了不同风险因素之间相互重叠的现象,这从概念上对自闭症研究领域也是一大冲击。在不同个体间发现的这些高渗透突变(penetrant variants)具有很大的影响力,但是它们导致的结果却是多种多样的,比如会导致ASD、癫痫(epilepsy)、智力障碍(intellectual disability)、精神分裂症(schizophrenia)以及其它多种疾病。这种“一对多(one-to-many)”的现象以及基因的多效性(pleiotropy)机制使ASD的问题变得更加复杂,而ASD疾病对我们人类造成的独有伤害(例如语言交流能力障碍等)又让构建动物模型几乎成为不可能。不过可以通过动物实验或者体外细胞培养等技术研究某些基因突变对生物学通路的影响作用,最关键的问题可能会是如何判断哪些分子、细胞和神经通路等不同层面上的表型与ASD相关。

可讽刺的是,ASD患者在遗传水平上的这种高异质性才是我们寻找治疗ASD良方的关键。不断涌现的这些ASD基因能够帮助我们综合人体内的各种信号通路和细胞进程,找出ASD背后的生物学基础,并以此开发出相应的治疗措施。同时伴随着与精神分裂症、癫痫等其它神经精神疾病和神经发育疾病相关的基因被不断发现,科研人员们也可以对这些疾病与ASD发病机制之间的异同有更深入的了解。已经有确切的证据表明ASD与多条信号通路都有关系。但是最让我们兴奋的是最近得到的新发现,科研人员不仅发现了哪些分子和信号通路与ASD相关,而且还发现了这些分子和信号通路在我们人类大脑发育的什么阶段以及哪些解剖位置上出现了问题。

最近得到的这幅较全面的ASD人脑基因表达情况时空分布图,乃至今后会陆续得到的ASD相关基因调控作用网络结构图和染色质状态图,以及更多的ASD相关点突变等信息会让ASD的研究更加深入。比如我们可以在大脑发育的不同阶段对多个已经明确的ASD患病风险相关基因的时空表达情况和调控情况进行检测。还可以从分子、解剖学和发育等不同的研究角度对这些网络结构进行分析,提出各种致病机制假说并进行试验验证。这些实验室里的前期工作也有助于开发ASD模式系统(model systems),比如利用ASD患者的尸检组织、iPSC来源的神经细胞以及携带了ASD突变基因的等基因系细胞(isogenic lines)和携带了这些突变基因的来自人体的细胞等都可以用于构建模式系统。这种多方位一体的综合研究方式能够帮助我们尽快在分子和细胞层面上发现与ASD相关的问题,并且随着更多ASD相关基因不断地被发现,相信科学家们很快就可以在更高的神经系统层面上发现一些与ASD相关的问题。

实际上,目前已经公布的人类大脑发育过程中的ASD基因表达资料其实已经指向了几条致病机制假说,也可以在一定程度上解释为什么ASD基因存在“一对多”的情况。我们前面提到的很多ASD基因的表达水平在我们人类大脑的发育过程中都存在明显的时空限制性特点,比如某些基因在妊娠中期(这是形成早期神经回路的关键时刻)的时候在大脑皮质里的表达水平会突然增高等,详见附图。彼此相关的大脑皮质神经回路的整合在时空层面上则进行得更为有序,比如总体来说大脑前区(anterior regions)的大脑皮质神经回路会先整合,更早形成突触联系,而大脑后区(posterior regions)的大脑皮质神经回路会后整合,更晚形成突触联系。实际上,在胎儿发育早中期大脑皮质的前额叶(prefrontal cortices)和颞叶(temporal cortices)中都能找到神经细胞早期分化和突触形成的证据,这些神经细胞和突触联系最终就会形成控制包括社交、语言等功能在内的所有大脑功能的物质基础——大脑神经系统,而ASD患者受损的也就是这些大脑功能。对于ASD而言,这些出现在突触发生(synaptogenesis)过程早期阶段在发生位置上的差异有助于解释为什么形成得更早的神经回路更容易受到影响,而诸如视觉等其它大脑功能则一般很少受损。在尚处于胚胎发育早期和中期的大脑皮质中由于缺少突触,而且新生突触的功能也很不完善,所以它们极易受到在同期表达的ASD相关基因的影响。

 

ASD风险基因与神经发育之间的关系。(A)与综合症状ASD(syndromic ASD)和特发性ASD(idiopathic ASD)相关的各种蛋白亚细胞结构定位以及它们具有的多种作用。(B)在我们人体大脑皮质发育的各个阶段几个与ASD相关基因的表达情况。

 

多个证据都表明大脑皮质各区域以及每个区域里的神经回路在婴儿出生之后的成熟速度存在差异。更高级的大脑功能则会到青春期末甚至成年早期才会完全发育成熟,比如大脑前额叶和颞叶功能等。不过在ASD患者和精神分裂症患者中这些区域的成熟过程也会受到影响。上述这些大脑部位漫长的成熟期使得它们的敏感程度增高,极易受到各种分子水平乃至环境因素的影响,从而破坏大脑的社交、语言等功能。简而言之,目前已经发现的这些遗传风险因素可以通过分子层面上基因在不同时段的表达影响大脑神经回路的功能,在大脑发育早期造成多种不同的表型,既让大脑在发育早期受到损害,同时也让大脑在漫长的发育期里更容易受到各种因素的影响。

虽然遗传、分子和神经回路水平等多方面的研究成果都有助于我们确定ASD的发病机制,但是到目前为止我们还是没能彻底解决这些关键性的问题。比如为什么男性更容易患ASD疾病?为什么某些人存在ASD高危风险因素也没事,他们是怎么做到的?遗传背景、体细胞突变(somatic mutation)、表观遗传学修饰(epigenetic modifications)、微生物组学(microbiome)、环境因素以及种种随机因素对于ASD都起到了什么样的作用?幸运的是,随着科研人员逐渐加深对ASD总体遗传背景的了解,上述这些难题也正逐渐变得不那么困难了。

对于ASD患者、家属和医生们而言目前最紧要的问题就是现在新出现的这些研究成果能不能帮助他们对ASD疾病进行有效的预防和治疗。就这一点而言,我们在模式生物中观察到的与单基因神经发育疾病相关的种种表型都是可逆的现象说明我们人类患上的这些神经精神疾病应该都是可治的。另外,虽然对一个突变基因可以导致很多种不同的表型和症状这一观点还存在争议,但是根据这个模型,针对其它疾病的疗法应该也可以适用于ASD类疾病。比如在心脏病和中风等疾病的预防工作中对高血压病进行控制都是一个非常重要的措施。由此我们可以想到临床表现各异的ASD和精神分裂症背后是不是也会存在一个类似于高血压病的共同的病理生理学基础。这就进一步凸显了对隐藏在这些疾病背后的分子学改变和神经回路层面上的改变进行研究的重要性了。同时也提示我们应该根据这些共通的致病机制设计临床试验,而不能根据传统诊断意义上的不同疾病分别进行临床试验。不过最后还需提醒的是,考虑到与ASD相关的分子学异常如此丰富,很难从中找到一条共同的规律(发病机制),所以我们也应该像对待肿瘤疾病一样,考虑考虑ASD个性化医疗的问题。

 

 

原文检索:

Matthew W. State and Nenad Šestan. (2012) The Emerging Biology of Autism Spectrum Disorders. Science, 337:1301-1303.

YORK/编译

 

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