【最新研究】DNA串联重复扩增，或能解释自闭症发病机制。

近日，来自加拿大多伦多儿童医院的Brett Trost等人在《Nature》上在线发表了一篇题为“Genome-wide detection of tandem DNA repeats that are expanded in autism”的文章。

对来自自闭症家庭和人群对照的17231个基因组中带有2-20bp基序的串联重复序列进行了全基因组特征分析。

表明串联DNA重复扩增对自闭症的遗传病因和表型复杂性有很大的影响。

孤独症谱系障碍，简称ASD（Autism Spectrum Disorder）是一种以社会功能、沟通障碍、兴趣受限和重复行为为特征的神经发育障碍。

一直以来，引发自闭症的病因都是医学研究上的未解之谜。

关于自闭症的病因众说纷纭，有人猜测是基因突变、环境污染、药物作用、染色体异常……遗传因素也可能是导致自闭症的主要病因。

在这之前，科学家已经知道约有100个基因在自闭症的发展中起作用，但这些基因仅能解释不到20％的病例。

为了进一步研究这些遗传成分，研究人员必须“开发新的方法”。

负责这项基因研究的瑞安·袁（Ryan Yuen）开发了一种 “新的计算方法”，能够在DNA本身中搜索特定的特征，并将自闭症患者的模型与其父母或“其他人群”进行比较。

他们发现，父母的DNA部分有时会使孩子的患病几率加倍，或者在某些情况下提高到三倍，这些被称为串联重复扩展。

其他基因重复序列疾病可能与自闭症有关

一种基因型（CTG）的重复扩展出现在与第Ⅰ型肌强直性营养不良症（myotonic dystrophy type 1, DM1）有关的 DMPK 基因中。

该疾病的特征是肌肉无力，但大约5％的 DM1 患者也患有自闭症。

该研究团队从来自不同家庭的7名自闭症患者和1名未受影响的兄弟姐妹中找到了这样的基因重复扩展，验证了实验的假设。

这项结果证实了先前对自闭症和DMPK串联重复序列扩增之间存在关联的怀疑。

另外其他9个基因的重复序列似乎是可能和自闭症相关性最高的基因，但是由于这些重复序列非常罕见，他们无法评估其对自闭症的影响。

他们也补充指出，可能需要更大的规模和新算法来进行此类分析。

串联DNA重复序列约占人类基因组的6%，因每个单元(基序)的大小和序列而异。

当扩增时，它们与40多种单基因疾病有关。

例如FMR1基因5’与非翻译区的不稳定 、重复序列与脆性X综合征的智力发育延迟、脆性X相关性卵巢功能早衰以及与ASD相关。

它们参与复杂疾病的程度和异质性的程度都是未知的。

那么这些罕见串联重复扩增是如何增加ASD患病风险呢？

串联重复序列存在广泛变异性

从人类基因组的31793个不同区域鉴定出37865个串联重复序列，揭示了一个特定的区域可以有多个基序，每个区域有大约1.2个不同的基序。

将包含串联重复序列的区域定义为一个基因组位点，其中检测到的串联重复序列与一个或多个不同的基序相互重叠至少1bp。

每个区域的基序数目在染色体上以明显的非随机方式变化。

有2,529个区域（8%）有一个以上的基序，在一个区域有多达92个不同的基序。

尽管WHen可以检测到高达20 bp的基序，但大多数（72.2％）重复序列的基序<7 bp。最常见的基序大小为2bp，见于27.7%的重复区。

在最小的大小范围内，偶数的大小（2、4和6 bp）明显超过奇数的大小（3和5 bp），而较大的基序中没有这种趋势。

ASD中的罕见串联重复扩增

扩增在一般人群中往往扩增程度明显且罕见。

研究人员应用一种非参数方法来识别长度异常的串联重复序列，当存在于<0.1％的人群中时，将其进一步归类为罕见串联重复扩增。

在本研究中共有2588个罕见串联重复扩增被定义（共3339种基序）。

随后，研究人员通过对来自SSC的欧洲血统个体进行负荷分析（Burden Analysis），评估本研究确认的罕见串联重复序列是否与ASD风险相关。

结果显示，ASD患儿罕见串联重复扩张检出率为23.3％，未患病儿童则为20.7％，提示2.6%的ASD风险可能归因于这些罕见串联重复扩增。

而这些异常扩增通常代表来自上一代亲本已存在的长串联重复序列的进一步扩增。

罕见扩增的功能效应

为了评估罕见的串联重复扩增的可能功能效应，检查了它们与基因内不同特征的接近性。

研究人员发现与ASD相关的罕见串联重复序列扩增在外显子和剪接区中明显增加，且在转录起始位点或剪接点附近具有这一扩增的基因相对于其他基因而言更受抑制。

这一分析结果表明罕见串联重复扩增可能对转录或剪接发挥调控作用。

鉴于 ASD 患儿中罕见的串联重复扩增是由父母的大串联重复扩增而来，评估了MSSNG和SSC中来自欧洲祖先父母的大串联重复扩增的传递率。

他们通过通路富集测试以确认这些罕见串联重复扩增与已知ASD相关基因功能和生物学通路的相关性。主要包括神经系统发育，心血管系统和肌肉组织。

此外，研究发现女性相较于男性而言，在富集基因集中罕见串联重复序列扩增的趋势更为明显，这可能进一步支持ASD中男性和女性的遗传负荷差异。

与先前关于罕见致病性SNVs和CNVs的发现一致，具有罕见串联重复扩增的受试者智商和Vineland适应性行为标准评分更低。 

这一分析结果为罕见串联重复序列扩增在ASD相关表型中的作用提供了有力的证据。

综上所述，这个发现是ASD遗传学的一个重大进展，因为该研究发现了许多之前未被常规基因组分析识别的串联重复扩增基因。

除了对自闭症的影响外，串联重复序列之间的变异性远比人类基因组中所认识到的更广泛。

8%的串联重复序列检测到一个以上的基序，这表明一些基因可能倾向于用不同的重复序列进行扩增。

该研究所使用的在ASD全基因组范围内检测串联重复序列扩增的策略也为其他复杂疾病提供了一个寻找遗传缺失的模型。

蜗牛大班长：

在医学科研方面，关于自闭症成因是科学家们孜孜不倦研究的课题，希望这些科学研究上的里程碑，能让我们对于自闭症这种无法捉摸的病症有更深入的了解，从而推动干预治疗方面的重大突破。

参考文献

1 ，Ozonoff S J, Young G S, Carter A S, et al.Recurrence risk for autism spectrum disorders: A baby siblings researchconsortium study[J]. Pediatrics, 2011, 128(3).

2 ，Risch N, Hoffmann T J, Anderson M, et al. FamilialRecurrence of Autism Spectrum Disorder: Evaluating Genetic and EnvironmentalContributions[J]. American Journal of Psychiatry, 2014, 171(11): 1206-1213.

3 ，Ronemus M, Iossifov I, Levy D, et al. The role ofde novo mutations in the genetics of autism spectrum disorders.[J]. NatureReviews Genetics, 2014, 15(2): 133-141.

4 ，Yuen R K, Merico D, Bookman M, et al. Whole genomesequencing resource identifies 18 new candidate genes for autism spectrumdisorder[J]. Nature Neuroscience, 2017, 20(4): 602-611.

5 ，Bourgeron T. From the genetic architecture tosynaptic plasticity in autism spectrum disorder[J]. Nature ReviewsNeuroscience, 2015, 16(9): 551-563.

6 ，Castel A L, Cleary J D, Pearson C E, et al. Repeatinstability as the basis for human diseases and as a potential target fortherapy[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2010, 11(3): 165-170.

7 ，Hagerman R J, Protic D, Rajaratnam A, et al.Fragile X-Associated Neuropsychiatric Disorders (FXAND).[J]. Frontiers inPsychiatry, 2018.