孤独症流量门户 自闭症机构入驻
  • 您当前位置:
  • 自闭症康复
  • 文章库
  • 【综述】孤独症谱系障碍病因学相关神经生物学路径研究进展

【综述】孤独症谱系障碍病因学相关神经生物学路径研究进展

  • 2020-10-07 22:34:43
  • 范彦蓉 等 中华精神科杂志
  • 自闭症科研;
  • 2.8W次
  • 分享
关注机构:
联系机构:
摘   要:文章来源:中华精神科杂志,2018,51(6):393-397作者:范彦蓉张翠芳李秀萍袁芳李素水孤独症谱系障碍(autismspectrumdisorder,ASD)为严重的神经发育性障碍,童年早期起病,主要临床特征为社会交往、互动和行为异常,预后差,被认为是一种终身性疾病,给患儿和家庭造成了严重的
关键词:孤独症,孤独症表现,孤独症患者,孤独症谱系,社会交往,提示,孤独症谱系障碍,异常行为,李素水

文章来源:中华精神科杂志,2018,51(6):393-397

作者:范彦蓉 张翠芳 李秀萍 袁芳 李素水


孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)为严重的神经发育性障碍,童年早期起病,主要临床特征为社会交往、互动和行为异常,预后差,被认为是一种终身性疾病,给患儿和家庭造成了严重的经济和心理负担。目前,有很多学者致力于ASD的病因学研究,并取得了许多成果,涉及遗传因素、环境因素、代谢问题以及脑神经生物学的改变等,发病机制可能与神经元之间的连接、突触功能异常有关[1]。但是,多数学者认为多基因遗传所致的神经发育性障碍最为重要,其中基因突变起着不容忽视的作用。近年来,全基因组关联研究发现了数以百计的基因突变与ASD的发病有关,分为罕见变异体和普通变异体,结合当今最先进的神经生物信息学技术提示基因突变位于某些神经生物学路径上,该路径对神经发育有重要影响,推测这些神经生物学路径可能与ASD的病理学机制有关[2,3,4]。现将相关研究综述如下,以帮助学者们拓宽研究思路,早期揭开ASD分子遗传学机制,造福人类。

一、ASD的遗传学及分子生物学进展

1.ASD的遗传学研究:

早在1970年Folstein和Rutter的双生子研究就证实遗传因素在孤独症中起着重要作用, Tick[5]的荟萃分析共包括6 413对双生子,发现孤独症先证者的家族遗传率为64%~91%,进一步证实遗传因素的重要作用。在症状学方面ASD与社交焦虑、注意缺陷和多动障碍、智力障碍、双相障碍以及精神分裂症等多种疾病有重叠现象,推测精神疾病可能享有共同的基因和遗传路径,具有相似的遗传学特点。

研究支持ASD遗传具有异质性特征,迄今有35个基因突变综合征与ASD关系密切,如脆性X综合征(fragile-X syndrome,FXS)、接触素相关蛋白突变引起的脑皮质发育不全伴病灶性癫痫综合征(Cortical dysplasia-focal epilepsy)、结节性硬化、Rett综合征等[3]。连锁研究通过下一代测序技术发现几个重要的ASD候选位点,包括2q、3q、7q和20p,截至2012年发现10%~20%的ASD病例有已知的基因突变。一般来说,在散发病例中发现新的ASD候选基因,是基因编码区域的从头突变(de-novo mutation)。O'Roak等[6]在20个散发病例中应用全基因组序列研究发现从头突变基因有FOXP1、GRIN2B、SCN1A和LAMC3。在2012年又有3个重要研究对750个家庭中受累和未受累的同胞进行了分析,发现有前途的ASD突变基因是SCN2A、CHD8和NTNG1[7,8,9]。Yuen等[10]研究显示,STXBP1、UBE3A、KATNAL2、THRA、KCNQ4、MYH14、GJB6和COL11A1基因畸变与ASD有关,部分突变共病听力损失。迄今,确定了几百个基因突变与ASD有关。由于ASD的遗传异质性,提出病理机制假说是突变基因影响负责神经发育的神经生物学路径导致ASD。目前,有几个神经网络路径可能对探讨神经发育障碍和ASD表现型有重要意义。

2.分子生物信息学技术进展及ASD相关研究:

随着分子生物学尤其是高通量组学技术的蓬勃发展,生物医学正加速进入大数据时代。借助生物医学多组学、多层次的海量数据,可以从前所未有的广度和深度来研究生物体运行机制。由于生物医学数据多呈分散复杂特征,需深入分析现有数据,因此海量数据发掘与解析为主体内容的生物信息学技能成了科研的必要手段,对探讨疾病的病因学、临床诊断标志物、作用靶点识别、关键大分子发现与功能预测,以及遗传调控机制等有现实意义。首先介绍2个研究方法:(1)蛋白质之间的网络分析:首先确定基因突变扳机的蛋白质,然后分析与路径列表中蛋白质的关系,应用蛋白质之间交互作用(protein-protein interaction,PPI)网络得出分子路径。PPI是通过不同数据库搜索确定或预测蛋白质之间交互作用,得出蛋白质分子路径汇聚中心,缺点是目前缺乏脑组织中蛋白质间交互作用的相关数据库;(2)路径集中工具法:通过已知神经生物学路径之间的关系确定突变基因相关路径,该方法首先有基因本体协会(Gene Ontology Consortium)发起,目前方法较多,不在这里过多描述。

O'Roak[8]等对209个散发ASD家系测序外显子,发现126个基因有截断或错义突变,通过PPI网络分析确定了一个高度交互作用的突变基因簇,涉及染色质结合和β-连环蛋白功能。应用信号网络分析(ingenuity pathway analysis)工具发现8Wnt信号调节因子参与β-连环蛋白调节,提出可能的孤独症相关分子路径是Wnt-β-连环蛋白路径。2014年,Iossifov等[11]将自己的研究结论与《自然》杂志发表的2个从头突变的研究结合神经生物信息学得出重要结论,认为从头突变基因亚型影响染色质结合区域与ASD关系密切,涉及的蛋白质是β-连环蛋白。还有研究者依据6 742个ASD样本的罕见拷贝数变异体,结合因拷贝数变异体所致基因缺失或复制为基础建立的PPI网络系统确认钙调素1是神经网络信息中心,钙调素1是主要的钙离子信号调节因子[12]。Wen等[13]应用另一个孤独症相关基因网络分析途径也提示Wnt路径和钙离子路径在ASD病理学中的作用。因此,Wnt信号路径和钙离子信号路径可能对ASD有重要意义。

二、相关孤独症神经生物学路径假说

1.Wnt信号路径与ASD的关系:

(1)Wnt信号路径对神经发育和成年脑的作用:Wnt信号在动物胚胎的早期发育、器官形成、组织再生等生理过程具有重要作用。如果这条通路中的关键蛋白发生突变,将导致信号异常活化,与癌症、Ⅱ型糖尿病、骨质疏松症和心脏病有关,本文不作讨论。Wnt信号有两个通路,即经典通路和非经典通路,对神经系统发育用途有:第一,经典Wnt信号通路以物种特异性和细胞特异性的方式调节神经元前体细胞的增殖,对胚胎时期脑发育和成熟有重要作用。第二,Wnt信号通路影响成熟脑神经元干细胞的增殖与分化。第三,Wnt信号通路在树突和树突刺的成熟过程中起到积极作用,不成熟树突刺的剪修依赖于β连环蛋白功能。第四,β连环蛋白通过两种机制参与神经元的分化和形态学,一是β连环蛋白迁移树突刺增加突触后致密区(the postsynaptic density,PSD)大小,提高突触传递;二是在突触前神经元,β连环蛋白招募囊泡到突触前细胞膜,β连环蛋白有一个盘状同源区域用于招募结构域的蛋白质如Veli和钙黏蛋白(cadherin),Veli、CASK和Mint1形成三结合复合体是囊泡对接质膜必须的,调节突触囊泡释放到突触间隙是突触可塑性健康发育的基础[3,14]。因此,Wnt信号路径尤其β连环蛋白对正常大脑发育以及成年大脑功能有意义。(2)Wnt信号路径与ASD的关系:假说认为Wnt信号失调导致神经元分化、形态和神经传递等脑功能异常联系ASD的病理学机制,证据如下:第一,动物实验研究。Dong等[15]研究将小白蛋白神经元中的β连环蛋白击倒,发现鼠重复行为增加和焦虑症状,社会交往减少,而且前额叶皮质小白蛋白神经元密度增加。Wnt信号的另一成分是糖原合成酶激酶3(glycogen synthase kinase-3,GSK3)。FXS鼠模型研究发现几个脑区的GSK3十分活跃,GSK3敲入鼠模型表现社交优先受损以及交往中出现明显的焦虑症状[16]。应用此模型,抑制海马区的GSK3功能发现鼠探索新事物能力及学习能力恢复,提示Wnt信号异常和孤独症样行为有直接关系[17]。染色质解旋酶DNA结合蛋白8(chromodomain helicase DNA binding protein 8,CHD8):为与ASD联系密切的基因,编码染色质结合蛋白,与启动子的Fzd1、Dvl3和β连环蛋白相结合,在脑内对Wnt路径起正性调节作用。在脑皮质发育期击倒CHD8导致下调效应,产生转录因子家族TCF/LEF减少以及脑发育严重缺陷。给予制作CHD8下调胚胎鼠模型表达一个防止降解的β连环蛋白,发现能挽救异常树突吸收以及增加刺密度,而且发现产生稳定β连环蛋白鼠的社交行为和焦虑行为恢复,与健康对照组完全一致[18]。Shank家族是Wnt路径上的另一高风险ASD基因:Shank敲除果蝇模型常用于Shank家族基因调节的分子研究,Harris等[19]认为Shank家族基因与Wnt信号元素相互作用,影响Wnt非经典路径Wnt-Frizzled Nuclear Import(FNI)。该路径中,Wnt镶嵌(binding)形成Fz2受体内化,通过蛋白水解效应使受体N-末端裂开(cleavage)形成Fz2-C,Fz2-C易位进入细胞核,调节转录为突触发育必须。Harris等[19]通过敲除Shank家族基因发现,进入突触后膜的Fz2受体内化性减少、细胞核内的Fz2-C减少和突触发育异常。因此,动物模型研究提示改变Wnt信号路径影响皮质模式理论和突触发育与孤独症样行为产生有关。第二,ASD患儿的研究。研究证明ASD患儿脑中存在树突刺形态学或皮质模式理论的差异。Hutsler等[20]报道孤独症患者存在皮质树突刺密度增加,原因尚不清楚。Stoner等[21]报道ASD患儿皮质微柱(microcolumn)结构和细胞结构发育失调。三维成像技术研究发现ASD患者脑内轴突之间连接异常[22]。

上述动物实验和ASD患儿研究提示Wnt信号异常影响正常脑皮质结构发育和神经元形态学,Wnt信号异常可能是ASD的病理学机制。

2.钙离子和钙调蛋白信号路径与ASD的关系:

(1)钙离子信号路径对中枢神经系统的作用:Ca2+浓度参与机体的很多生理功能,对中枢神经系统尤其是突触前和突触后功能有重要意义[3,23]。第一,在突触前动作电位到达时通过N端活化以及P/Q电压门控通道诱导突触前Ca2+水平增加,Ca2+流入直接导致神经递质释放。第二,Ca2+诱导突触后神经元功能和兴奋性效应通过钙调蛋白(calmodulin,CaM)产生,信号传到下游作用于钙调蛋白激酶。在突触后,谷氨酸通过与N-甲基-D-天门冬氨酸受体和代谢性谷氨酸受体结合,释放内部储存的Ca2+产生Ca2+流,然后Ca2+与CaM结合,激活CaMKⅡ或CaMKK2产生各种突触功能。CaMKⅡ有4个不同亚型(CaMKⅡα、β、γ和δ),大多数位于兴奋性神经元的树突刺和树突轴部,对突触功能具有统治性作用(the mandatory role)。CaMKⅡα激酶活化控制长时程增强(long-term potentiation,LTP),与学习和记忆等过程有关。CAMKⅡA缺失或抑制CaM和Ca2+与CaMKⅡ结合,产生LTP抑制效应。CaMKⅡβ亚型与F-肌动蛋白、α-catinin和PSD蛋白Densin-180等细胞骨架亚单位相互作用,调节刺大小;CaMKⅡβ亚型还通过与GluN2B和GluA1受体结合调节长时程,与突触可塑性有关。CaMKⅡ也使抑制性受体GABAA各亚型磷酸化,表明CaMKⅡ对兴奋性和抑制性传递均有重要作用。CaM激活CaMKK2和下游的其他酶,具有不同效应。CaMKK2活性对空间记忆形成有重要意义,并使AMP-活化性蛋白激酶磷酸化提供脑功能调节所需能量;CaMKⅠ对生长锥运动性起积极传导效应,生长锥为神经突延长和分枝所必须;CaMKⅣ磷酸化增加基因表达和蛋白质合成,与场景恐惧有关。总之,较多证据提示Ca2+信号和CaM路径对突触功能有重要意义,其中CaMKⅡ和CaMKⅣ是两个主要信号酶,影响突触的各种特性、兴奋性和抑制性受体的神经传递以及重要的LTP与LTM生物学功能。(2)Ca2+信号和CaM结合路径与ASD的关系研究:鉴于Ca2+和CaM信号路径在突触功能和神经元连接方面的中枢作用,推测该路径的功能失调可能导致孤独症相关症状,相关研究处于起步阶段。第一,鼠动物实验相关研究。FXS是重要的孤独症表现型,脆性-X精神发育迟滞蛋白(fragile-X mental retartation protein,FMRP)是FXS基因产生的原因,常以此制作动物模型。尽管CaMKⅡα干扰mGluR5活性的机制还不清楚,但FXS鼠模型研究发现突触CaMKⅡα明显升高,Guo等[24]提出了一个理论假说是Homer1(H1)和2(H2)支架蛋白过度磷酸化导致mGluR5解离,然后Homer1亚型H1α与mGluR5结合,产生非配体依赖性活性受体。FMR1敲除鼠研究发现,抑制mGluR5有改善学习和记忆力的效应,并认为是未来药理学的研究方向[25]。不过,Schaefer等[26]综述相关研究认为抑制mGluR5及下游相关路径仅取得部分成功,需进一步研究。另一个与Ca2+信号异常有关孤独症表现型是Angelman综合征,特征是15q13-11母系等位基因缺失,包括UBE3A基因。CaMKⅡα为相关激酶活化所必须,在UBE3A等位基因无效鼠模型中,CaMKⅡα自身磷酸化紊乱,导致海马LTP受损。既往研究已表明CaMKⅡα与支架蛋白相互作用直接影响ASD发育,进一步支持上述理论[25]。第二,ASD患者的相关研究。ASD个体研究发现细胞内Ca2+信号紊乱。相关研究有在ASD个体的皮肤成纤维细胞中发现激动剂诱发的Ca2+信号功能失调[27]。约80%的Timothy综合征符合ASD诊断,离体研究[28]发现Timothy综合征患者多能干细胞分化为神经元过程中出现Ca2+信号失调和活性依赖性基因转录改变。孤独症遗传学研究发现突触后信号传导路径中Ca2+调节异常,CAMKⅠG和CAMKⅣ基因位于CaM结合路径上,通过罕见变异体和普通变异体影响分子路径[3]。CaMKⅣ对FXS基因转录起正调节作用,一个欧洲人群的追踪研究发现CaMKⅣ基因(rs25925)的一个高风险单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)联系ASD发育,位于剪接因子的接合位点处,可能改变CaMKⅣ各亚型间的平衡[29]。Jung等[30]通过经颅磁刺激治疗ASD患者后发现能产生类似长时程增强效应的突触可塑性变化。该研究还发现在皮质区域给予经颅磁刺激,并测试运动诱发电位,结果与正常神经特征孩子的运动诱发电位变化明显相比,ASD患者无变化,提示ASD患儿存在突触可塑性缺陷。有人综述相关文献也提示ASD患者有神经元网络连接缺陷,不同的感觉刺激ASD患者的脑电图信号发生相应变化[31]。应用选择性mGluR5拮抗剂fenobam能改善FXS患者前脉冲抑制[32]。另一小样本研究显示,锂盐通过mGluR5信号减轻Ca2+信号路径活化明显改善FXS患者的多动和不恰当语言表达,对易激惹和重复行为也有减轻趋势[3]。

上述研究提示ASD患者存在突触功能、网络活性和连接缺陷,推测与Ca2+信号和CaM有关,该路径有望成为未来研制治疗ASD核心症状的靶目标。但是,今后需要鼠模型以及人脑电生理学研究进一步探讨Ca2+信号路径与ASD的关系,尤其澄清与孤独症核心症状间的潜在关系。

3.其他信号路径:

主要介绍哺乳动物雷帕蛋白靶目标(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号路径和神经生长因子(nerve growth factor, NGF)信号路径。mTOR信号路径是一个丝氨酸/苏氨酸激酶,被认为器官发育的中枢酶,在胚胎发育早期阶段切除mTOR将导致胎儿宫内死亡。mTOR路径起于两个复合体(mTOR复合体1和mTOR复合体2),产生级联放大调节大脑发育,每个系统各负其责。mTOR复合体2级联与肌动蛋白丝相互作用负责生长锥的能动性,是神经突发育的动力导向。另外,mTOR复合体2通过RAC-α丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性调节mTOR复合体1间接影响神经元大小和形态学,即神经突延伸、吸收和树突形成。生长因子和神经递质等细胞外刺激也可直接激活mTOR复合体1影响神经发育。许多研究支持mTOR信号与ASD有关,作用于mTOR信号路径的雷帕霉素有望成为治疗核心症状的新药,主要证据是相关综合征的研究,包括结节性硬化症、相关PTEN综合征、神经纤维瘤1型和FXS[33]。NGF信号路径:由神经支配外周组织和星形胶质细胞产生,是神经元生长与存活必需的蛋白质分子,具有营养神经的效应。随着神经系统的发育,在外周组织和星型胶质细胞的延伸轴突中发现有NGF分泌,并通过受体介导的内吞作用提高了神经元的生存能力,加快了神经突的生长以及突触的可塑性和连接性。对正在发育过程中的大鼠研究发现,研究者给予新生儿鼠心室内注射外源性NGF导致乙酰胆碱转移酶增加。对大鼠前脑进一步研究发现NGF通过结合原肌球蛋白受体激酶(TrkA)调节胆碱能神经发育和分化,通过正反馈通路增加原肌球蛋白受体激酶表达和乙酰胆碱转移酶。总之,鼠研究表明NGF和脑源性神经营养因子对神经元可塑性有重要作用,可改善社会交往能力[34]。

NGF信号路径对神经系统发育有重要作用,但是NGF信号与ASD关系的研究很少。有研究应用血mRNA选择性剪接分析观察2~4岁ASD患儿,发现涉及NGF信号的几个基因有显著性差异,如NGF受体、神经营养性受体酪氨酸激酶1[35]。有研究者通过同情问卷和孤独症谱系问卷评定发现神经营养性受体酪氨酸激酶1的SNPs与ASD行为特征有关[3]。Lu等[36]研究也发现几个NGF的SNPs联系非语言交流缺陷。因此,尽管NGF信号路径与ASD之间关系的动物实验研究很少,但是人类遗传学研究认为NGF信号路径与ASD相关异常行为有关,仍有必要进一步实施相关机制的研究。

三、小结

ASD是一种异质性的遗传性疾病,数以百计的基因突变与ASD发病有关,分为罕见基因变异体和普通基因变异体。近来的几项研究发现与ASD相关的基因突变影响特殊蛋白质分子,结合先进的生物信息学技术提示β-连环蛋白和钙调素1是两个重要的神经网络信息中心,Wnt-β-连环蛋白和钙离子/钙调蛋白信号路径可能与ASD发病机制有关,动物模型和ASD患儿的相关研究支持上述理论假说。相关两个路径也日益引起学者们的广泛关注,并有望成为研制治疗ASD核心症状新的靶目标。未来的研究方向:第一,进一步确定Wnt、钙离子/钙调蛋白等相关信号路径和ASD核心症状之间的关系。第二,确定信号路径与特定脑区神经元功能之间的联系。第三,基于基因突变建立更多的孤独症动物模型进一步证实上述关系。第四,有学者提示mTOR-信号路径和NGF-信号路径也与ASD有关,需进一步证实。

展开全部

来源机构专栏sign up

威海市儿童福利院
机构简称:威海儿童福利院
成立时间:1970年01月01日
区     域 :山东威海市
单位性质:公办康复机构 | 社会公益机构
优势课程:公益事业 | 辅助治疗
最新文章

作者专栏sign up

张远梅
张远梅
人物性质:机构创始人
所属单位:贵阳欢乐船健康管理有限公司
人物特长:机构创始人
区     域 :贵州贵阳市
单位性质:民办康复机构| 连锁康复机构| 家长创办机构
热点文章
1教学环境对自闭症儿童的社交有什么重要性?自闭症儿童教学环境创设的原则
2康复师华林谈如何给自闭症孩子选干预方法:不同的干预方法,适合不同的自闭症孩子
3怎么联系深圳星愿树?
相关文章sign up
相关资讯sign up