中国孤独症发病机制研究

中国孤独症发病机制研究

1943年，美国精神病家卡隆德首次报告了这种疾病，典型的特征是语言交际障碍、沟通障碍、重复或僵硬行为和兴趣。孤独症多见于男性患儿,男女比例高于4∶1,虽各地孤独症发病率报道差异很大,但数据统计结果显示,其发病率呈上升趋势,如1976年对英国、威尔士、美国和丹麦孤独症儿童调查发现,孤独症发病率约为4/万,当时认为孤独症是一种罕见疾病;1988年对加拿大孤独症儿童流行病学调查结果显示,孤独症发病率上升到10/万;1992年美国6岁儿童诊断孤独症的发病率为19/万;而到2006年,美国疾病控制和预防中心(CDC)对美国8岁儿童调查结果统计显示,孤独症发病率已超过了90/万;最近对世界不同地区孤独症流行病学调查结果表明,孤独症发病率约为1/100。孤独症的高发病率使其无疑成为重要公众卫生问题。孤独症发病率上升的原因与医生和公众对孤独症认识的提高和诊断标准宽泛有关;同时,孤独症发病率的上升还引起了人们对环境因素的关注,其中最显著的是对各种形式疫苗的关注,主要指麻疹疫苗、流行性腮腺炎疫苗和风疹疫苗(MMR),因其含防腐剂硫柳汞而认为硫柳汞中汞含量可能与孤独症的发生有关。随后,许多流行病学研究证明,疫苗或硫柳汞不能导致孤独症的发生或增加孤独症的发病率;Richler等调查证明,MMR疫苗和孤独症的倒退无关。1全基因组关联分析迄今为止,孤独症的发病机制尚不清楚。以往大量研究表明,遗传因素起主要作用。双生子研究显示,同卵双生子共患孤独症的发生率为70%~90%,异卵双生子共患孤独症的发生率为0~10%。孤独症同胞患病率为4.5%,比一般人群高25倍,且存在家庭聚集现象。孤独症先证者父母和兄弟姐妹广泛表型(broaderautismphenotype,BAP)症状明显高于对照组。一些基因突变或结构变异增加了孤独症的发生风险。最近一些研究加快了对孤独症遗传学病因的了解,随着比较基因组杂交芯片(arrayofcomparativegenomichybridization,CGH)的应用,陆续发现孤独症患儿有大量拷贝数变异(copynumbervariants,CNVs)。遗传或新发CNVs是引起孤独症的重要原因:遗传CNVs位点有1p36缺失、2q24缺失、3p14缺失和重复、3q27-3q28缺失、4q21-23缺失、7p21缺失、15q11-15q13重复、16p11缺失和重复、22q13缺失和Xq24重复等;新发CNVs不仅在先证者中明显高于对照组,且在散发(sporadic)病例和家族性病例中存在差异。由Sebat等研究显示,孤独症散发病例CNVs发生率为10%,家族性病例CNVs发生率为3%,对照CNVs发生率为1%。相对于CNVs,连锁分析和全基因组关联分析不能有效确定引起孤独症发生的共同位点。目前识别的连锁区域有1q21-1q23、2q24-2q31、3q25-3q27、4q22-4q25、7q22-7q32、7q32-7q34、15q22-15q26、17q11-17q21和Xq21-Xq25等,在这些区域中只有7q22-32和17q21的连锁位点可被重复,其余多数连锁信号尽管继续加大样本,还不能被重复。通过全基因组关联分析识别出的潜在易感位点有5p14.1和5p15,进一步分析显示,基因间的单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphism,SNP)位点可能与孤独症存在关联。Weiss等发现在5p15(SEMA5A和TAS2R1之间)有一与孤独症强关联的rs10513025,其位于SEMA5A上游约80kb,参与基因表达调控,SEMA5A与轴突导向有关,并被证明在孤独症先证者脑中表达水平降低,这一研究表明了调控元件变异可能与孤独症有关。在DNA元件百科全书(encyclopediaofDNAelements,ENCODE)项目中也体现出这一点,调节物组数据库(regulomeDB)包括来自ENCODE和其他来源的高通量实验数据以及利用计算预测和人工标注鉴定出的潜在调控序列功能变异体,这一数据库指导人们更好地理解人类基因组中调控序列变异。通过ENCODE数据与疾病相关基因SNP间关联性发现,在当前鉴定出的疾病关联中存在功能SNP显著富集,在这些功能SNP中调控元件变异约是编码蛋白元件变异的7倍。因此,重视功能性SNP变异可能会有助于对孤独症发病机制的研究。在进行连锁分析和全基因组关联分析研究过程中,还发现与孤独症相关的一些候选基因,如RELN、OXTR、MET、FMR1、AVPR1A、CNTNAP2、EN2、MECP2、UBE3A、GABRB3、SHANK3、NLGN3、ITGB3、NLGN4X、SLC6A4、SLC25A12基因等。虽然孤独症候选基因编码区突变所占比例较少,但对于理解基因和孤独症联系是重要的进步,如细胞粘附因子家族中NLGN3蛋白定位于突触后膜上,与NEUREXI-NA、CNTNAP2及SHANK3等蛋白相互作用,目前已发现在NLGN3中发生R451C突变,影响NLGN3蛋白表达和活性,使NLGN3滞留在内质网中,干扰了NLGN3在细胞表面的定位,减少了NX1beta结合活性,影响突触功能。通过构建NLGN3突变小鼠模型发现,NLGN3在孤独症中可能因过度抑制了神经递质作用导致孤独症发生。另外一个例子就是MECP2和GABRB3作用,通常MECP2编码蛋白通过与甲基化DNA特异性结合,抑制其下游靶基因转录,但有研究证明,MECP2通过结合GABRB3甲基化CpG位点而促进转录,在孤独症脑组织及MECP2基因敲除小鼠脑组织中发现,GABRB3表达降低,且GABRB3基因敲除小鼠表现出学习障碍、运动不协调等症状,孤独症患儿MECP2表达异常,有可能通过改变GABRB3表达而影响相关通路进而出现孤独症样症状。孤独症可能与围生期一些因素有关:如孕妇精神情绪、被动吸烟、酗酒、接触有毒物质、慢性或急性疾病、服药史、妊娠期并发症、先天性巨细胞病毒感染、孕周异常(<35周或>42周)、分娩时实施剖宫产;患儿脐带绕颈、窒息、先天畸形、缺氧性脑病、先天性风疹、高热惊厥、新生儿黄疸等。除此之外,父母年龄、社会经济状况等环境因素也可能促进孤独症发生。其中母亲妊娠年龄偏大可能会增加胎儿染色体异常发生风险,而父亲年龄偏大会使生殖细胞具有更多变异,增加孤独症发生风险,2010年在加利福尼亚进行的孤独症诊断分析显示,孤独症患者并不聚集在信息技术产业区,反而聚集在年龄较大和具有较高教育水平的父母生活区。另外,母亲在孕产期还应减少与手机、电脑等频繁接触,最近耶鲁大学研究人员对小鼠进行手机辐射实验发现,孕鼠频繁接受手机辐射暴露,出生后小鼠大脑发育受影响,表现为出生后小鼠好动且记忆力差,且可能导致多动症,这是首次通过实验证实手机辐射危害,其研究成果发表在2012年3月15日《Nature》子刊《ScientificReports》上。虽然手机等辐射对孤独症造成的影响还未经证实,但孕妇应尽量减少辐射暴露。2脑过度发育90%~95%孤独症患儿出生时,头围接近正常,或比正常婴儿小;1~2岁时,神经发育出现异常,头围增大,表现为大头,之后增长速度减慢;2~4岁时,患儿与对照组相差约10%;至成年时两者差距减少到1%,神经发育速度减慢可能与细胞凋亡有关。约20%孤独症患儿出现大头,其亲属也表现类似性状。因此,大头可能是孤独症发病危险因素之一。头围增大与PTEN基因异常表达有关,PTEN是一种新发现的抑癌基因,参与细胞分裂,当PTEN基因活性下调或被抑制时有丝分裂上调,从而出现过度增殖,在孤独症中PTEN表达异常,其相关PI3K/AKT通路可能靶向神经干细胞,这些细胞在较长时期内保持对称分裂状态最终导致过多神经元出现、大脑体积增加,表现出大头特征。PTEN基因敲除小鼠不仅出现大头和神经元增厚,还表现出社交障碍和感觉异常。孤独症患者这种早期脑过度发育不是普遍存在于脑的每一部分,主要出现在额叶、颞叶、小脑、海马和杏仁核中。有研究发现,孤独症患者小脑出现浦肯野细胞减少;最近更多研究表明,孤独症患者大脑皮质出现广泛异常,最明显的是在类似于额叶和颞叶皮质这样的高级连接区出现。Hazlett等对患孤独症的青少年和成年人研究发现,孤独症患者大脑白质和灰质体积出现大幅增加,其中额叶和颞叶灰质体积增加最多,枕叶灰质体积增加最少;Levitt等对10岁左右的孤独症患者研究表明,额叶沟和颞叶沟出现异常向前或向上移动,由此使得额叶和颞叶区域不成比例增加;Herbert等报道,孤独症患儿脑白质向外辐射的部分在额叶中显著受干扰,枕叶受干扰最小,孤独症患儿2岁时,因脑白质过度生长可能使20%患者出现巨头畸形。因此,通过对灰质和白质体积、大脑沟和大脑白质发育磁共振成像(MRI)研究表明,孤独症患者脑过度发育的病因似乎出现在额叶和颞叶,因为这两个区域具有调节高级社会、情感、认知和语言的功能,在孤独症中这些区域的功能受到了损伤,可能与孤独症发生有关。对额叶皮质的进一步研究发现,额叶皮质微柱状组织遭到了破坏,表现为宽度减少和密度增加,额叶皮质微柱状组织被认为是提供皮质信息加工的基本构建模块,额叶皮质微柱状组织变化可能参与复杂信息加工缺陷。在对孤独症脑体视学研究中发现,孤独症个体杏仁核中一致出现较少的神经元,而杏仁核参与情感调节,孤独症杏仁核中神经元的减少可能会影响情感交流。对出生后早期脑过度发育的合理解释是神经元数目过量,特别是兴奋锥体状神经元数目过量。因过量的锥体状神经元在皮质所有神经元的数量超过80%,锥体神经元过量可能还意味着轴突、树突、突触和髓鞘过量,灰质和白质体积增加及整个脑体积增加;同时,神经元数目增加也意味着孤独症儿童脑重量增加。额叶皮质和颞叶皮质在9个月至2岁时形成的神经环路最密集,同时也最脆弱。神经元数目过量明显干扰了额叶皮质和颞叶皮质神经环路的形成,阻碍了高级语言、社会、情感和沟通技能的出现。例如,来自远端非皮质位点传入轴突与额叶皮质及颞叶皮质过量的靶向神经元错配在神经分布位点产生零星、广泛的连接,像这样不相干的连接有可能使一些神经元不受支配,改变传入信号到高级皮质区域的传递,结果减弱了皮质间或皮质与其他结构长距离功能间的相互作用。而皮质内局部连接及轴突与过量的神经元产生短距离连接,无论在数量还是功能上,都超过了长距离的传入连接,也许是局部短距离连接超过了长距离连接的这种不平衡干扰了大规模、长距离装配的形成和功能,造成了大规模、长距离网络操作失败,使孤独症患者在社会功能方面表现出生理和心理异常,同时这种网络的失败还可能导致孤独症患者初学走路时不能获得正常语言。但这种网络操作失败引起的功能障碍并非绝对,新的研究表明,在高功能孤独症患者中注意力、动机或兴趣的增加能引起脑区域网络更多正常功能的激活,Dalton等证明,孤独症患者对注意力的增加与梭形脑回和杏仁核活性增加有关。类似地在对讽刺事情理解上,正常发育儿童会使用内侧额叶皮质,而孤独症患儿只有在接收到面部表情或语调这样特殊指令时,才使用,由此说明,孤独症局部和长距离网络可被激活,对孤独症患者越早干预,效果会越好。遗传学研究表明,PLD2、PLD5、PCDH10、CDH8、MET和CNTN3等基因在轴突生长中起作用,而SHANK3、CNTNAP2、NLGN3,NLGN4、NRXN1、PCDH10、CDH8、CDH9和CDH10等许多基因还与突触发育有关,这些基因处于细胞粘着、泛素化、GTPase/Ras信号等通路中,其中细胞粘着通路会影响轴突导向和突触形成,泛素化通路能影响树突棘和突触后致密质发育,可能是一些重要基因表达异常使相关通路发生改变,影响了神经元发育、结构及功能等,进而影响到神经环路形成的皮质模式,最终有可能导致孤独症的发生。Voineagu等报道,孤独症患者脑中的能区分额叶皮质和颞叶皮质的有差异基因表达模式明显被减弱了,有差异基因表达的消失有可能也存在于孤独症患者脑的其他区域,皮质模式的减弱可能会损害脑区域间连接,最终减少皮质区域的特殊功能。2011年Voineagu等研究发现了孤独症患者脑中与突触发育有关的基因表达减少,而与调节炎症反应有关的基因表达增加。3胎儿睾丸酮对新生儿的影响对动物特别是对啮齿类动物的研究证实,早期暴露于睾酮类的雄激素会作用于脑,在行为、认知、脑结构和功能上产生性别差异。现在胎儿睾酮会影响人脑发育和行为已被广泛接受,人类男性睾酮经历了3次高峰:第1次睾酮(胎儿睾酮)高峰出现在孕期8~24周,几乎达到青春期水平;第2次睾酮(新生睾酮)高峰出现在出生后不久,之后一直保持高水平,直到4~6个月时几乎检测不到;第3次睾酮(青春期睾酮)高峰出现在青春期,控制了青春期的开始,其中胎儿睾酮被认为在脑的男性化中发挥了主要作用。由于在人类中不能直接进行胎儿睾酮的检测,一种间接的策略就是检测羊水中的胎儿睾酮,羊水诊断一般在孕期14~20周进行,这时胎儿睾酮也处于高峰期,为研究胎儿睾酮对脑的影响提供了良好的机会。研究发现,胎儿睾酮在一定程度上影响了正常发育个体在认知方面的差异,主要包括:与12个月时目光接触频率、18~24个月时词汇量多少、48个月时社交质量、48~96个月时移情呈负相关;与48个月时狭窄兴趣、96个月时系统化及对细节关注呈正相关。胎儿睾酮还有可能影响脑的结构,胎儿睾酮增加与胼胝体不对称增加有关。胎儿睾酮可能与孤独症有关,Auyeung等研究显示,高水平胎儿睾酮与18~24个月孤独症儿童特征呈正相关,在孤独症检查中男性儿童得分明显高于女性。而一些研究认为,与激素相关的基因可能参与了孤独症的发生。孤独症患儿中男女比例差异可能与X染色体上连锁基因有关。1996年通过全基因组关联分析发现,与孤独症相关的X连锁基因突变只占很少部分,如NLGN3和NLGN4X等突变,推测可能是表观遗传修饰作用于X染色体上的连锁基因影响孤独症发生风险。通常一条X染色体被抑制,另一条染色体保持活性来消除男女间“剂量”差异,但在抑制X染色体上有10%~15%的基因被认为可能仍在继续表达,虽然对孤独症大样本研究并未发现抑制X染色体基因继续表达,但不排除这种可能与孤独症的关联性;孤独症的发生有可能与X染色体非整倍性有关,如Turner综合征女性因缺少1条X染色体,可能增加孤独症发生风险;孤独症的发生可能与X染色体上的印记位点有关,女性的两条X染色体一条来自父亲、另一条来自母亲,男性一条X染色体只来自于母亲,当X染色体上印记位点突变,男性更易受影响。研究发现,XYY和XXYY综合征增加了孤独症的发生,推测Y染色体上非重组区域基因表达可能受抑制。SRY位于Y染色体上非重组区域,表达蛋白可与许多基因启动子结合而促进其转录,如酪氨酸羟化酶基因、单胺氧化酶基因等,其中单胺氧化酶基因位于X染色体上,其转录是通过SRY和Sp1在启动子处形成的蛋白复合体实现,编码产物单胺氧化酶能催化血清素类单胺神经递质氧化脱氨基反应,孤独症患儿单胺氧化酶活性异常可能与SRY调控有关。孤独症中男女比例差异可能与常染色体变异有关,研究表明,新发CNVs在男女中比例是1∶1;但女性X染色体上新发CNVs的显性外显率显著降低,可能与男女比例差异有关。4孤独症:表观遗传修饰异常孤独症的发生是环境和遗传因素共同作用的结果,其中遗传因素是引起孤独症的主要原因,在理解孤独症遗传学基础方面已取得一定进步。例如在孤独症患者中发现一些如SHANK和NEUROLIGIN蛋白家族成员的突变,而动物研究已经取得一些阳性结果。UK10K项目正在计划对孤独症和其他神经精神病学疾病进行全外显子测序,随后