自閉癥譜系障礙與共病的主要易感基因

薛改麗，白占濤，3，劉 霞，3*

(1.延安大學生命科學學院；2.多肽資源藥物研究中心；3.陜西省區域生物資源保育與利用工程技術研究中心，陜西延安716000)

自閉癥譜系障礙(Autism Spectrum Disorder，ASD)，是神經系統發育失調導致的廣泛性發育障礙，屬復雜的遺傳性多基因神經精神紊亂疾病。其主要表現為社交互動障礙、語言交流障礙、興趣缺失及重復刻板行為，另外有少量患者出現癲癇、智力低下、個體發育遲緩等較嚴重病癥[1]。大多數患兒起病于出生后36個月以內；部分病例在2～3歲以內基本正常，但在3歲以后起病。ASD兒童的男女患病率大概是4∶1，是全世界發展最快的發育障礙之一，并且繼續以驚人的速度增長，如2018年美國疾病預防控制中心(CDC)報告稱，其全國范圍內的自閉癥患病率從兩年前的1/68增加到1/59。盡管ASD發病的分子和生物學機制有諸多報道，但其確切的機制仍不甚明了。

共病(Comorbidity)是指兩種或兩種以上疾病共同出現在一個病人身上，其主要包括三種情況：①一個潛在的共同病因導致了兩種或多種不同的疾病；②一種疾病導致另一種疾病的發生；③兩種毫不相關的疾病同時發生。近年來，ASD的共病問題也非常突出，并且這些共病加大了患者的患病程度。大約70%以上的ASD病人伴隨神經性發育障礙共病，其發生率明顯高于單純的神經性發育障礙的病人。有些共病如癲癇或抑郁癥，可能出現在青春期甚至更晚的生活中，從而導致終身受損。ASD患者中近45%的人患有智力障礙，12%～70%的人患有抑郁癥，8%～30%的人患有癲癇，42%～56%的人伴隨焦慮[2]。易感基因(Susceptible gene)是指在適宜環境刺激下能夠編碼遺傳性疾病或獲得疾病易感性的基因，迄今已鑒定出800多個ASD易感基因，它們參與細胞生長和增殖、染色質重塑等各種生物學過程[2]。基因缺陷可以影響大腦發育的許多過程，例如，離子通道的分子紊亂，導致皮質發育畸形的異常皮質神經發生，或異常的特定蛋白質產物，以及突觸結構和功能異常，所有這些都與ASD及其共病的發展有關[3]。因此，理解ASD及其共病的易感基因對于ASD的預防、治療及康復具有極其重要的理論和臨床價值，本文對近年來ASD及其共病共同的主要易感基因，包括MECP2、FMR1、TSC1/TSC2等的相關研究總結如下。

1 MECP2基因及其共病

甲基-CpG結合蛋白2(Methyl CpGbindingprotein 2，MECP2)是一個轉錄調節子，調節多個基因的表達水平，具有轉錄激活子和抑制子的雙重作用[4]，主要在大腦的神經元和星形膠質細胞中表達豐富，MECP2在出生前后早期的突觸可塑性、樹突發育和神經元成熟中起重要作用。MECP2基因突變，導致MECP2蛋白缺失，被MECP2基因抑制的基因，因不能下調而過表達，從而導致雷特綜合征(Rett syndrome，RTT)。當MECP2重復突變導致MECP2重復綜合征(MECP2 duplication syndrome，MDS)，RTT綜合征和MDS均是ASD的一種，RTT主要影響女性，而MDS幾乎僅在男性中發現。Vichithra等研究了MECP2亞型在原代神經元和星形膠質細胞中的性別特異性表達，發現在產后第1天(P1)，女性杏仁核和腹側下丘腦中的MECP2的表達水平比男性大腦區域的表達水平高，但是在P10，男性在視前區表達了更多的MECP2，并且在原代腦細胞中，男性神經元中MECP2e1的表達水平高于女性神經元[5]。研究證明了MECP2表達具有性別依賴性，也暗示了MECP2在年齡/發育階段的特定調節機制。

據報道，癲癇和ASD樣行為在患者中同時發生的概率為30%，在患有RTT綜合征的人中，有60%～80%的患者有癲癇發作，而新生兒低氧性癲癇(Hypoxic Seizures，HS)和MECP2KO小鼠會在后期表現出類似ASD樣行為、認知缺陷和癲癇易感性增加。常見機制主要是雷帕霉素(mammalian target of rapamycin，mTOR)的靶標和興奮性谷氨酸能突觸下游的活性依賴途徑，當mTOR通路過度激活，引起神經遞質受體和離子轉運蛋白功能的分子變化、突觸重組、細胞程序性死亡和神經發生，最終影響神經網絡的形成，而這些變化均與癲癇和自閉癥的發生有關[6]。Carl等發現在RTT綜合征患者中mTOR的水平升高，且mTORC1和mTORC2活性復合物磷酸化明顯增加[7]，提示RTT綜合征與癲癇之間在mTOR通路存在共同的分子機制。

Rosenberg等用過度激活CaV1.2L型電壓門控鈣通道(LT-VGCC)和可透過Ca2+的AMPAR(CP-AMPAR)介導癲癇發作，從而引起神經元特異性活性依賴的MECP2S421位點磷酸化及其上游CaMKIIT286磷酸化[8]，而在新生兒HS的潛伏期用AMPAR(α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體，AMPAR)拮抗劑治療可以減少癲癇發作，并可防止ASD樣行為，如社交缺陷[5]。MECP2S421磷酸化可引起下游轉錄基因(如BDNF)的表達升高，致使長時程增強(LTP)和海馬依賴的空間記憶受損，從而導致學習能力和空間記憶受損[9]。

以上這些研究證明，MECP2作為ASD和癲癇以及學習記憶受損等共病共同的基因和分子機制，可能是ASD和這些癲癇等共病的原因，所以繼續探究由于MECP2基因發生突變引起的RTT綜合征、癲癇以及學習記憶受損，三者疾病之間存在確切的共同生物學過程至關重要。

2 FMR1基因及其共病

脆性X智力低下1基因(Fragile-X mental retardation gene1，FMR1)位于染色體Xq27.3處，其編碼的脆性X智力低下蛋白(FMR1 protein，FMRP)作為mRNA結合蛋白，它通過阻止核糖體翻譯來調節大腦以及其他器官中數百種蛋白質的表達[10]。FMRP是一種胞質蛋白，在多數組織細胞的胞質都有該蛋白的表達，以人腦組織海馬區和皮質灰質部的浦肯野細胞及表層、顆粒層神經元和睪丸組織中的精原細胞內表達最強。由于FMR1的(CGG)n重復擴展的動態突變和異常甲基化而導致FMRP蛋白不表達或低表達而影響神經元的發育成熟和突觸可塑性，最終導致脆性X綜合征(Fragile X syndrome，FXS)，FXS被認為是與ASD相關的主要的單基因疾病，其臨床癥狀常表現為智力低下、社交障礙、重復行為增加，還會導致學習與記憶功能障礙、癲癇易感性增加，并且出現多動以及焦慮樣行為增加。2015年Provenzano等發現同源盒轉錄因子encared-2(EN2)缺失時，FMRP-mGluR5信號通路失調，并伴隨GABRB3(Gamma-aminobutyric acid Areceptor，beta3)表達的下調，導致ASD樣行為[11]。

據報道，約有10%～20%的FXS個體患有癲癇病，FXS中的癲癇發作模式通常類似于兒童良性局灶性癲癇(Benign focalepil epsy of childhood，BFEC)。Bianchi等提出電壓門控內向電流ImGluR(V)通過激活mGluR5受體介導癲癇發生[12]，I mGluR(V)的誘導可能導致整個神經元發生變化，在FMRP翻譯異常的情況下，跨多個突觸激活mGluR5會導致電興奮性增強[12]。Chatterjee等研究發現FMRP缺失會導致其中某些mRNA的翻譯增加，包括CNS特異性酪氨酸磷酸酶STEP，在FMR1 KO小鼠中用STEP抑制劑(TC-2153)，減少了音源性癲癇的發生率，減輕了焦慮樣行為，且社交能力明顯增強[13]。

FMRP還通過與IncRNA相互作用而參與阿爾茲海默病(Alzheimer′s disease，AD)的發病機制，Zhang等在Tg2576AD小鼠模型中發現，當FMRP與前體蛋白APP mRNA結合時，APP翻譯被抑制，隨后產生較少的淀粉樣蛋白(Aβ)，然而當BC1(一種IncRNA)結合FMRP時，FMRP和APP mRNA之間的相互作用被破壞，導致APP主動翻譯和Aβ產生增加，進一步導致空間學習與記憶缺陷[14]。因此，研究BC1和其他lncRNA對APP和FMRP在突觸中的作用有助于了解AD和FXS的發病機理，且為研究FXS與AD共病發生的先后提供啟示。

3 TSC1/TSC2基因及其共病

結節性硬化癥復合物1/2(Tuberous sclerosis complex1/2，TSC1/TSC2)，同屬于抑癌基因，是抑制細胞生長和增殖的兩個關鍵信號因子，TSC1/TSC2在成人新小腦中表達量最高，其次是大腦皮質，在背側丘腦中的表達量相對較低，在海馬中也有研究[15]。TSC1和TSC2基因編碼的蛋白質形成一種復合物，作用于雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路。當TSC1/TSC2發生突變時，導致其蛋白質與TBC1D7蛋白質形成的復合物功能障礙、mTORC1去抑制，導致結節性硬化癥(Tuberous sclerosis，TSC)。TSC患者常伴有ASD，ASD在TSC中的患病率約50%。2012年Tsai等研究發現，TSC1雜合或純合缺失時會導致社交互動異常、重復行為增加等ASD樣行為[16]；當mTOR信號通路異常導致細胞內信號傳導異常、細胞生長發育異常、神經元遷移和增殖異常、軸突形成以及突觸可塑性異常，而這些機制通常被認為是導致ASD的潛在病理生理學的一部分。

2018年Maria Sundberg等在結節性硬化癥(TSC)患者的小腦浦肯野細胞(Purkinje cell，PC)中發現在缺乏TSC2的hiPSC-PC中，FMRP靶標的某些成分下調，谷氨酸受體δ2(GRID2)以及突觸前和突觸后標記物(如突觸素和PSD95)的表達降低，同時還發現與mRNA加工和運輸相關的基因表達下降，且這些基因富含FMRP靶標，而FMRP可以由mTOR途徑翻譯后調節，因此FMRP信號傳導的調節劑可能成為TSC和ASD患者藥理治療發展的目標。

許多系統性因素以及并發癥會影響TSC中ASD的表型和嚴重程度，包括癲癇。癲癇是TSC相關的最常見的神經系統疾病，患病率約為80%～90%[17，18]，Zeng等在條件性敲除神經膠質細胞中TSC1的小鼠中證明，雷帕霉素(mTOR抑制劑)的早期治療可預防癲癇的發展，后期治療可減少癲癇發作[19]。小鼠小腦浦肯野細胞中TSC1缺失導致神經元興奮性降低，并表現出異常的社交行為、學習和重復行為，雷帕霉素治療可以預防這些變化[20]，浦肯野神經元敲除TSC2也得到了類似的結果[21]。Talos等研究發現，嚙齒類動物新生兒癲癇發作模型導致mTORC1過度激活且導致社交新穎性缺陷，在新生兒缺氧性癲癇發作的動物中用雷帕霉素治療可預防癲癇的發展并減少社交新穎性缺陷[22]；2015年McMahon等利用TSC1條件性敲除小鼠引起癲癇以及ASD樣行為，發現血清素能神經元中mTOR過度活化促進ASD樣行為的發生，而用mTOR抑制劑處理Tsc1flox/flox；Slc6a4-cre小鼠改善了社交行為以及重復行為[18]。綜上所述，這些研究表明在早期大腦發育，各個大腦區域中mTOR通路過度激活、癲癇發作和ASD樣行為的發展之間存在復雜的關系，并且還表明雷帕霉素可能是治療mTOR信號通路受損的ASD患者和癲癇患者的有效方法。

4 PTEN基因及其共病

第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因(Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome10，PTEN)位于染色體10q23上，是一種腫瘤抑制基因，其編碼影響G1細胞周期停滯并抑制PI3K/AKT/mTOR途徑的磷酸酶[23]。PTEN突變已與四種已知的錯構瘤綜合征有關，包括Cowden綜合征、Bannayan-Riley-Ruvalcaba綜合征(BRRS)、Proteus綜合征和Proteus綜合征。據報道，5%-10%的ASD患者是由于PTEN突變造成[24]。2006年Kwon等將PTEN條件性敲除在小鼠大腦皮層和海馬體的成熟神經元中，產生突變的小鼠表現出社交互動異常以及感官刺激、學習異常和焦慮樣行為，并且還表現出大頭畸形和神經元肥大，包括樹突肥大和異位、軸突增加以及脊柱密度增加，這些異常的形態與AKT/mTOR/S6k途徑的激活和Glycogen synthase kinase-3β(Gsk3β)的失活有關，而由PTEN突變造成的PI3K/AKT途徑異常與ASD緊密相關[25]。Cupolillo等將PTEN條件性敲除在小腦浦肯野細胞中導致ASD樣特征，包括社交能力受損、重復行為和運動學習障礙，并且其PC肥大、樹突和軸突異常以及興奮性降低[24]。

據報道從癲癇患者中也發現了PTEN突變，包括局灶性皮質發育不良。已知PTEN基因敲除小鼠有癲癇發作[26]，可以通過mTOR途徑抑制劑雷帕霉素抑制癲癇發作[27]。研究表明，microRNA[28]通過調節下游靶mRNA在癲癇的發展中發揮作用。2018年TangC等研究發現PTEN-mTOR是癲癇的紅藻氨酸類模型中micorRNA-21-5p(miR-21-5p)的靶標，miR-21-5p的敲除減少了癲癇發生階段的神經元損傷，推測miR-21-5p/PTEN/mTOR軸(Axis)是預防和治療癲癇以及癲癇損害的靶標[29]，同時PTEN突變引起ASD和癲癇，二者間存在共同的基因和分子機制，為后續研究ASD、癲癇以及由PTEN突變引起錯構瘤綜合征三者之間的病因具有重要意義。

磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)細胞內信號通路在乳腺癌中起重要作用。乳腺癌組織中磷脂酰肌醇-3-激酶α催化亞基(PIK3CA)和PTENmRNA的表達量均比正常乳腺組織增多[30]，表明PTEN既參與了ASD發病又參與了乳腺癌的發病。

5 SHANK3基因及其共病

富含脯氨酸突觸相關蛋白3(Src-homology domain3 and multiple ankyrin repeat domain3，SHANK3)位于染色體22q13.3上，也稱為ProSAP2，SHANK3是一種支架蛋白，可直接或間接與多種谷氨酸受體和對正常突觸功能至關重要的肌動蛋白細胞骨架相互作用。已知SHANK3基因的突變會導致ASD，缺失或突變引起的SHANK3的單倍劑量不足占ASD患者的0.69%[31]，SHANK3缺失或突變時導致Phelan-McDermid綜合征(PMS)，也稱為22q13.3缺失綜合征，其特征是智力障礙(Intellectual disability，ID)、發育遲緩、語言缺失或延遲、新生兒肌張力減退和運動障礙，80%以上的PMS患者存在ASD或ASD樣行為[31]。Simone Berkel等研究發現性激素調節SHANK基因的表達，表明由SHANK3突變造成的ASD行為存在性別差異。2019年Song等發現SHANK3敲除小鼠的脊柱密度降低，突觸蛋白改變、突觸功能和突觸可塑性明顯受損，其社交互動異常、社交記憶以及學習記憶受損，同時其焦慮樣行為和機械疼痛閾值增加[31]。

Sgk家族成員Sgk2(血清和糖皮質激素誘導的激酶2)的表達在調節谷氨酸受體的膜運輸中起關鍵作用。2019年Qin等發現，與hM3D(Gq)DREADD結合的Shank3缺陷小鼠的前額葉皮層(Prefrontal cortex，PFC)中的錐體神經元發生化學激活，恢復了PFC中的社交偏好行為和谷氨酸能突觸功能，而SHANK3敲除小鼠中Sgk2表達降低，但可以通過hM3D(Gq)DREADD激活而得以挽救，從而減輕了社會缺陷和突觸異常。而在野生型小鼠中阻斷Sgk功能則導致PFC谷氨酸能信號傳導的減弱和ASD樣社交缺陷[32]。

胃腸道(Gastrointestinal，GI)異常也是ASD常見的共病之一，在ASD患者中，腸道癥狀的患病率達23%～70%[33]，但潛在的機制尚不清楚。2019年James等使用Phelan-McDermid綜合征(PMS)的斑馬魚模型來研究ASD與GI的腸道功能關系，發現SHANK3突變是胃腸道轉運和運動異常的原因，而SHANK3在腸道以及腸道微生物中的分子機制還有待進一步研究[34]，還有研究發現伴有胃腸道疾病的ASD患者焦慮程度更明顯，也有研究發現胃腸道問題與多種障礙和癥狀表現有關，并可通過胃腸道癥狀預測患者睡眠障礙。

據報道，在多個病例中發現患有癲癇的患者有22q13缺失，包括SHANK3，且患病率在17%～70%之間。Holder等調查發現，SHANK3缺失的患者中表現出癲癇發作以及腦電圖異常，目前尚不清楚為何SHANK3的單倍劑量不足會導致癲癇[35]；從癲癇患者iPSC分化出具有SHANK3缺失的興奮性神經元，這些神經元顯示出多種分子和神經生理異常，與正常的神經元相比，其輸入阻力增加[36]。這表明與普通人群相比，具有SHANK3突變的個體癲癇患病率升高可能會增加神經元的興奮性。綜上，缺失SHANK3的患兒表現出ASD并伴有癲癇、胃腸道疾病等共病，因此，闡明這些伴隨疾病在ASD中的表現、發展、變化和本質非常迫切。

6 其他基因及其共病

細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶-5(Cyclin-dependent kinase-like 5，CDKL5)也是與ASD相關的一個易感基因。與CDKL5相關的疾病是伴X遺傳的疾病，其特征是較早的癲癇發作，通常為嬰兒痙攣，并伴有小頭畸形，以及手部刻板癥，而這些神經發育障礙可以與MECP2相關的疾病相聯系[37]。2008年Bahi-Buisson等在CDKL5突變的女孩中發現其存在異常的社交行為以及重復刻板動作，并伴隨發育障礙和癲癇表型[38]。

SCN2A編碼電壓門控鈉離子通道α2亞基Nav1.2，2010年首次報道了一個患有自閉癥和智力殘疾的兒童，其SCN2A的2q24.2q24.3染色體缺失[39]，使用全外顯子組測序在兩名ASD兒童中發現了SCN2A的無義突變[40]。與此同時，SCN2A突變的兒童也伴有癲癇病[41]。SCN2A主要編碼興奮性神經元中的電壓門控Na(v)1.2，目前其突變如何導致超興奮性[42]以及ASD產生的機制尚不清楚，由此可見，深入研究由SCN2A突變引起的ASD和癲癇的分子機制，對解析二者共病的病因具有重要意義。

除上述基因外，已報道的還有CASK、MEF2C、FOXG1、CNTNAP2、PCDH1等基因與ASD和共病相關[43]。

7 結語

綜上，雖然有一些證據可以深入了解ASD易感基因與癲癇、阿爾茲海默癥、胃腸道功能障礙、學習認知障礙以及焦慮與抑郁行為等共病的關系，但這種關聯背后的生物學機制仍難以評估[2，3，14]，而且癲癇等共病發生是否會造成不同程度的ASD行為，尚鮮有報道，這就要求我們對不同亞型的ASD患者進行縱向研究，而這方面的研究成果對于醫學上診斷ASD和其他共病至關重要。ASD是一種多因素疾病，具有廣泛的臨床和遺傳異質性，目前尚不清楚在發育過程中ASD特征是如何從基因和/或環境線索中產生的，共病在發育過程中是否會影響ASD的發生也是未知的，而這些也是本實驗室下一步需要著手進行探究和論證的問題。本文關注ASD和共病易感基因的發生問題，梳理了與ASD有關同時伴隨共病發生的主要易感基因，證實了ASD與這些共病存在分子重疊，并提示ASD與這些共病可能共享分子機制，有助于我們更好地理解ASD的遺傳病因。因此，研究ASD與共病相交的關鍵基因以及發育過程中ASD與共病之間的相互影響，有助于破譯其共同的分子機制和/或共同的病理生理學，最終為為自閉癥與共病發生的機理研究提供參考。