孤独症的遗传学与神经生物学研究综述(2)

　　（2） 15q 与 ASD. 现已知在部分孤独症患者中，15 号染色体上存在两种细胞遗传学异常结构， 即倒位重复[21]和超显性假双着丝粒（isodicentric 15）[22,23].还有研究发现， 在 Prader Willi 综合征（Prader Willisyndrome, PWS） 和 Angelman 综 合 征 （Angelmansyndrome, AS）病人中， 一些发生变化的印记化基因组区域， 在孤独症患者中也可发生变化[6,24]. 以往的研究中发现， 由母源遗传的 15 号染色体片段的重复所导致的致病风险更高， 所以研究者把注意力更多地放在母本表达的基因上[6].

　　15 号染色体重复区域包含的基因有 MKRN3（makorin ring finger protein 3）， MAGEL2 （MAGE-like2）， NDN（necdin homolog）， SUNRF-SNRPN（smallnuclear ribonucleoprotein polypeptide N）， IPW （imprin-ted in Prader-Willi syndrome）， UBE3A, ATP10A （ATP-ase, class Ⅴ， type 10A）， GABRB3, GABRA5 （gamma-aminobutyric acid A receptor, alpha 5）， GABRG3（gamma-aminobutyric acid A receptor, gamma 3），OCA2 （oculocutaneous albinism Ⅱ）等。 其中， 经研究证实， UBE3A 和 ATP10A 在脑中优先表达母本[6,24,25].

　　在两种 15 号染色体重复的形式中， 父本基因被印记化， 母本中重复的 UBE3A 基因翻译产物为 E6-AP 泛素蛋白连接酶。 在 15 号染色体该重复区域内， 还有一些父源表达基因， 如NECDIN（NDN）和MAGEL2[26].

　　NDN 在有丝分裂后的神经元内表达， 它与 DLX5 蛋白共同作用， 在大脑抑制性神经元的分化中起重要作用。 而 DLX5 蛋白是一个母本基因表达的产物， 该基因位于 7 号染色体， 同样是 ASD 的易感基因之一[6].

　　MAGEL2 基因与 NDN 基因相邻， 该基因产物主要在下丘脑表达， 该蛋白质被认为主要与 PWS 综合征中的进食障碍相关。 在 15 号染色体重复区域内母本基因的重复， 可能通过妨碍同源染色体的配对过程， 或者产生正义-反义链产物量不平衡， 间接导致父本基因的错误表达（misexpression）[6].

　　3 孤独症的神经生物学研究

　　临床检验、神经影像及神经病理学等研究显示孤独症患者存在脑形态、结构异常， 主要表现在： （ⅰ）脑发育异常， 包括出生时头体较小及 1~2 个月至6~14 个月头体过度增长， 2~4 岁额叶、小脑及边缘系统等脑区的过度生长及随后的脑发育缓慢。 而这些脑区均与孤独症患者的社会交往、语言障碍及运动能力受损有关[27,28]; （ⅱ） 脑体积整体增大， 额叶白质增多[29], 脑不对称性改变[30], 大脑皮质、杏仁核及海马结构生长异常[31]; （ⅲ） 弥散张量成像分析（diffusiontensor imaging, DTI）、fMRI 等神经影像学研究显示，患者白质束断裂及各脑区之间连接异常（局部连接增加， 长程连接减少）[28]及不同皮质、皮质下区域的激活及同步化异常（提示孤独症患者整合信号的能力较对照组有显着下降）[32]; （ⅳ） 尸检的神经病理学研究显示， 孤独症患者的神经元及皮质结构混乱、内则颞叶损伤[33], 大脑皮质、小脑及其他皮质下结构的细胞结构异常， 小脑、脑干蒲肯野细胞丢失及萎缩， 边缘系统神经元发育异常及数量减少等[27]. 提示神经元成熟的延迟及扰乱可能是孤独症的发病机制之一。

　　临床、神经影像、神经病理学证据均支持孤独症是一种神经元-皮质组构疾病， 表现为从突触、树突组构到不同脑区间网络连接、脑的形态结构等不同水平的信息处理障碍。 这些神经生物学改变很可能影响儿童早期社会行为、语言交流、运动能力等的发育过程， 并受到遗传因素及环境因素影响。 一些孤独症的候 选 易 感 基 因 , 如 PTEN（phosphatase and tensinhomolog）， MET（met proto-oncogene）， Reelin, NLGN（Neuroligin 4, X-linked）和 SHANK3（SH3 and multipleankyrin repeat domains 3）参与的分子通路可能在出生前后早期神经系统发育的不同阶段影响中枢神经系统发育的多个过程， 并将这种效应延续至发育晚期[33]. 这些影响突触传递、细胞间相互作用及细胞内信号传递的分子通路所参与的网络失衡， 导致神经发育中某些过程的延迟或中断， 从而扰乱神经系统高度有序的信息处理进程。

　　下文将从神经递质传递、神经发育以及神经免疫3 个方面介绍孤独症发病可能的神经生物学机制。

　　3.1 孤独症的神经递质假说

　　遗传学、生化及神经病理学研究支持孤独症是由5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT）、g-伽马氨基丁酸（g-aminobutyric acid, GABA）和谷氨酸（glutamate,GLU）功能失调导致的这一假说。 事实上， 这些神经递质在中枢神经系统中的功能不仅与突触间神经元的相互作用相关， 还通过指导细胞迁移参与脑成熟及皮质组构的过程[34,35].

　　（1） 5-HT 与孤独症。 在 5-HT 与孤独症的研究中，正电子发射型计算机断层扫描显像（positron emissiontomography, PET）显示， 患孤独症的儿童缺少大脑早期发育时期5-HT合成的一个高峰[36,37]. 这种 5-HT 合成的降低发生在齿状核-丘脑-皮质通路中， 而在对外侧齿状核中升高[36,38]. 单光子发射型计算机断层扫描显像（single photon emission computed tomography,SPECT）显示， 在患者大脑皮质中 5-HT2A 受体的结合力显着降低。 而很多研究显示， 患者血小板中的5-HT 水平的确增高[39]. 药理学研究显示， 5-HT2 受体激动剂、5-HT 再吸收抑制剂等药物对孤独症患者的行为有所改善[35].

　　遗传学研究发现， 中枢神经系统中 5-HT 合成的限速酶基因（tryptophan hydroxylase-2, TPH2）、编码5-HT 转运体的基因（solute carrier family 6, member 4,SLC6A4）及参与调节 5-HT 含量的基因（integrin, beta3, ITGB3）等均与孤独症相关[9].

　　神经生物学研究显示， 在皮质形态发生的重要时期， 来自脑干脊核的 5-HT 传入神经激活大脑皮层。

　　而 5-HT 异常可导致皮质发育异常， 新生小鼠全身缺失 5-HT, 将会导致顶叶皮层Ⅱ~Ⅳ的生长分化延迟[40].另外， 5-HT 通路还可以通过与脑源神经生长因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）等神经营养因子相互作用， 在孤独症的发病中起作用[41].

　　（2） GABA 与孤独症。 在未发育成熟的皮层中，GABA 起初起兴奋性作用， 促进神经元生长及突触形成； 随着神经元的成熟及氯离子的外流， GABA 开始发挥其常规的抑制性作用， 并与兴奋性递质谷氨酸一起参与调节大脑皮层中各种神经元的迁移、定位，建立并维持皮层网络的平衡[42].

　　关于 GABA 与孤独症的研究发现， 孤独症患者血小板中 GABA 含量增多， 而脑中 GABA 受体减少[43]. 遗传学研究显示， GABRA4 通过与 GABRB1相互作用增加了孤独症的易感性。 GABA 中间神经元缺陷会导致 minicolumn 及 macrocolumn 等结构的改变， 从而参与孤独症中皮质功能失常， 提供了一种病理生理学方面的假说[44].

　　（3） 谷氨酸与孤独症。 谷氨酸受体所介导的神经兴奋性信号在皮层发育中起重要作用。 GABA 受体及谷氨酸受体在新皮质、海马及小脑的不同皮层调节神经元呈放射状、切线及喙状迁移[34]. 在成熟的神经系统中， 谷氨酸参与突触可塑性的调节诱导长时程增强（long term potentiaton, LTP）或长时程抑制（longterm depression, LTD）， 建立起神经元网络的可塑性，是学习记忆等认知功能的神经生物学基础[45].

　　对谷氨酸与孤独症关系的研究发现， 编码谷氨酸 kainate 受体、代谢型受体及 NMDA 受体的基因GluR6, GRM8, GRIN2A 等均与 ASD 相关； GluT1 及AMPA1（glutamate receptor）等基因的表达在患者脑组织中显着升高[34].

　　3.2 孤独症的神经发育假说

　　孤独症的神经发育假说认为， 扰乱子宫内或初生后神经发育轨迹的分子通路参与了 ASD 的发病机制。 这些通路可能与很多不同的发育过程相关， 如神经元迁移， 皮层组构， 突触、树突塑造， 皮层联系的建立等。 当其中任何一个过程受到环境因素干扰时，环境将对遗传因素进行修饰， 从而导致更大的异常[46]. 目前在孤独症研究中较为热门的神经发育相关蛋白如下所述。

　　肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor, HGF）作为运动、感觉、副交感神经元的神经营养因子， 影响神经元的迁移及树突的发育。 HGF 及其受体（MET）通路主要通过 ERK-P13 通路（extracellular signal-regulated kinase-phosphatidylinositol 3-kinase pathway）参与调节大脑发育[4], 并可能参与 ASD 患者的免疫系统功能失常[47].

　　神经营养因子， 如 BDNF, NT-3（neurotrophin 3），NT-4（neurotrophin 4）等， 可调节细胞增殖、迁移、存活、轴/树突发生、突触形成及其他神经可塑性过程。

　　这些神经生长因子及其通路的异常也在精神分裂症、抑郁症等其他精神疾病的病因学中起作用[47,48]. 但目前尚不能确定它们如何参与到 ASD 的神经发育机制中， 尚不知其异常是 ASD 发病的原因还是结果。

　　Reelin 等信号蛋白作为一种分泌型胞外蛋白[49]可调节神经元迁移和皮质分层， 并通过与脂蛋白受体相互作用调控其他神经发育过程[50]. 同时， Reelin基因也是表观遗传学水平上研究比较深入的精神疾病易感基因之一[51].Neuroligins 3（NLGN3）和 Neuroligins 4（NLGN4）均为突触后膜细胞黏附分子， 是最早被识别出与孤独症相关的分子之一。 NLGN3 中 Arg451Cys 影响细胞表面的有效运输， 并可改变其结合能力[52]; NLGN4中的移码突变导致翻译提前终止。 Neurexin 1 和Neurexin 3 位于突触前膜， 是 Neuroligin 家族蛋白的主要结合蛋白， 促进突触后神经元的分化， 并控制GABA 和 GLU 的平衡[53]. 在一些孤独症患者中该基因突变， 是突触发生通路参与 ASD 发生的重要证据。

　　另外被发现可能与孤独症发生相关的突触蛋白还包括 CNTNAP2（contactin associated protein-like 2）[54],SHANK[55]等。

　　影像学研究显示， 孤独症患者脑的整体、特定区域或结构存在发育异常。 一部分患者的脑圆周扩大，但 其 脑 过 度 生 长 的 细 胞 基 础 尚 不 清 楚 . PTEN（phosphatase and tensin homolog on chromosome 10）基因是参与调节脑容量的一个候选基因， 它通过磷脂酰 肌 醇 -3- 羟 激 酶 （phosphatidylinositol 3-hydroxykinase, PI3K）通路， 调节细胞增殖、分化、迁移。 该基因缺失会导致头部畸形[56,57].

　　3.3 孤独症的神经免疫学假说

　　星形胶质细胞、小胶质细胞等神经胶质细胞一方面是皮层组构、神经元轴突导向及突触可塑性的基础[58]; 另一方面它们也参与中枢神经系统中免疫系统调节及内环境稳态的维持。 二者的激活是响应神经损伤或神经元功能失调的重要因素之一。 氧化物、细胞因子、趋化因子及其他神经活性物质介导的神经胶质细胞变化， 会导致神经元功能显着失调， 很可能是导致孤独症中神经元功能异常的机制之一[59].