Nature：对自闭症大脑最全面的分子研究

导读：

自闭症是孤独症谱系障碍（ASD，Autistic Spectrum Disorder ）的一种，为广泛性发育障碍的代表疾病，严重影响着患者的社交、行为和语言表达等能力。据统计，我国目前约有超过1000万名自闭症患者（约每68名孩子中就有1名自闭症患者）。近年来，随着对自闭症研究的深入，人们逐步认识到自闭症是一种弥漫性中枢神经系统发育障碍性疾病，受一定遗传因素和多种环境因子影响。尽管已有诸多研究从分子遗传、神经免疫、功能影像、神经化学和神经解剖等不同角度对自闭症病因展开研究，但依然没有任何一种假说能从根本上解释自闭症的病因。

神经精神性疾病通常缺乏明确的脑部病理学；而自闭症尤为如此——相比于例如阿尔茨海默病、帕金森等神经系统疾病，自闭症一直缺乏明确的病理学解释，进而加大了开发有效治疗方法的难度。最近有研究表明，神经精神性疾病涉及分子水平的调节障碍，表现为转录组学和表观遗传的改变；对于孤独症谱系障（ASD）而言，这种分子病理学涉及小胶质细胞、星形胶质细胞和神经免疫相关的基因上调，突触基因的下调以及皮层中基因表达梯度的衰减。然而，这些变化是否仅仅发生在皮层关联区域，或是发生在更为广泛的区域？目前仍未可知。

11月2日，加州大学洛杉矶分校的研究团队在《自然》（Nature）杂志发表了题为“Broad transcriptomic dysregulation occurs across the cerebral cortex in ASD”的研究论文；该研究从分子水平全面地表征了孤独症谱系障（ASD），展示了迄今为止在分子水平上对自闭症如何影响大脑的最全面认知。

十多年工作的标志性成果

加州大学洛杉矶分校的人类遗传学、神经病学和精神病学教授Daniel Geschwind博士领导了这项研究。“这项工作代表了我们许多实验室成员十多年工作的标志性成果。对于自闭症大脑进行如此全面的分析是十分必要的。现在，我们终于能从分子水平上逐渐开始了解自闭症患者大脑的状态——类似于帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和中风等其他脑部疾病，这为我们了解自闭症提供了分子病理学途径，也将加速相关治疗方法的开发。”

先前的研究表明，在分子水平上，自闭症患者不同的大脑区域往往比非自闭症患者更均匀。换句话说，在非自闭症人群中，后部和前部区域之间的基因表达差异比较明显；而自闭症患者的差异却相对温和。其他研究发现了自闭症特有的另一种“分子特征”——与神经元和突触相关的基因表达减少；与星形胶质细胞、小胶质细胞和免疫过程相关的基因表达增加。但这些特征是基于仅限于颞叶和额叶关联区域的小样本（这些区域控制着认知、语言和社会行为等高阶功能）。

这项新研究证实并扩展了这些先前的结果。它对所有四个叶（额叶，顶叶，颞叶和枕叶）中11个不同皮质区域的数据分析显示，自闭症的基因表达差异在位于大脑后部的两个感觉区域最为明显：处理视觉信息的Brodmann区域17（BA17）和整合视觉和运动信息的Brodmann区域7。

自闭症的基因表达差异在大脑后部的Brodmann区域17和7最为明显

“令人惊讶的是，这些自闭症相关的基因在整个皮质表面都有表达，特别是在初级视觉皮层和主要感觉区域富集，而不是关联区域，”加州大学旧金山分校神经病学教授Arnold Kriegstein表示， “我认为大多数人不会怀疑这些地区有最大的脆弱性。

此研究分析了来自49名自闭症患者和54名非自闭症对照组的725个死后大脑样本。他们发现，自闭症患者的大脑在4,223个基因和9,474个基因亚型中显示出失调——来自基因组同一部分的mRNA，通常具有不同的蛋白质编码序列。

失调的基因也不会随机分布在不同的细胞过程中。Geschwind 博士表示：“它们属于非常特定的细胞类型（特别是神经元、少突胶质细胞和小胶质细胞）；影响着非常特定的生物过程，因此它们代表了协调的程序。

在整个皮层中，13个基因模块（表现出相似表达模式的基因组）具有区域差异；所有这些模块都遵循从前到后的梯度，这意味着它们在大脑后部最失调。在BA17中，失调的基因包括SOX4和SOX11，两种促进神经元分化的转录因子，以及SCN9A，其编码对细胞信号传导很重要的钠通道。

仅在该区域，与非自闭症脑组织相比，就有超过3,200个基因的差异表达。一种名为ETV4的基因编码一种转录因子，帮助树突发育并与神经元连接。在自闭症脑样本中，受ETV4调控的基因在BA17区域也减少了。

RNA测序的要点很简单：从脑组织切片中提取RNA，将它们转化为DNA，然后对其进行测序。但它有一个很大的警告：研究人员不能总是确定“失调基因”是由细胞内部的实际分子变化引起的，而不是反映细胞类型数量的差异。

当Geschwind提交这篇论文时，其中一位审稿人说这项工作并不引人注目，因为基因表达差异“显然都是由于细胞组成造成的”。

为了揭穿这一想法，Geschwind的团队对来自六名自闭症患者和六名非自闭症患者的超过250,000个单个细胞的RNA进行了测序。该分析表明，自闭症患者的星形胶质细胞和兴奋性神经元略多，但细胞类型数量的差异不足以解释这些发现。

“这项研究在单细胞水平上提出的问题是，我们看到的变化是否只是由于细胞组成的变化，或者细胞内发生的分子途径和信号传导实际上是否发生了变化，”Geschwind说，“是后者，我们可以非常肯定地说。”

未来探索方向

Geschwind博士团队现在正在测试各种假设来解释他们的结果。由于失调的基因主要出现在接收来自丘脑指令的大脑区域，丘脑从外围传递感觉信息，“其中一些可能是人们在自闭症中看到的感觉超敏反应的基础。”

他们正在扩大他们的分析范围，包括丘脑。“如果我们的假设是正确的——这反映了对皮层的感觉输入——那么我们预计丘脑（这是大脑中感觉信息的主要中继站）将显示类似的模式。”

Geschwind博士表示，接下来的步骤之一是确定研究人员是否可以使用计算方法来开发基于逆转研究人员在ASD中发现的基因表达变化的疗法，进而可以使用类器官来模拟这些变化，以便更好地了解它们的机制。