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在1930年代的维也纳和1940年代的巴尔的摩,奥地利的阿斯伯格(H.Asperger)医生与美国的坎纳(L. Kanner)医生不约而同地注意到一类奇怪的孩子,他们仿佛只活在自己的世界中,不愿与别人交流,成为“星星的孩子”。
这些孩子往往有一些重复刻板的动作,不太说话或者语言模式古怪,缺乏沟通和语言交流,他们给这种病起了一个名字:自闭症(autism)。
在距离自闭症被发现后的半个多世纪中,医生们还发现自闭症儿童除了具有经典症状外,其中少数人还具有机械记忆力超强与对数学、音乐有特殊才能的现象。
近年来,随着社会大众对自闭症的不断关注,大量国内外描写自闭症的影视作品纷纷出现,让人们对这种神秘的疾病充满了好奇。
自闭症究竟是什么原因导致的?目前自闭症的发病率究竟有多少?能否治愈?
随着医学与科学的逐渐发展,临床医生与科学家紧密合作,已对自闭症的起因与发展有了一些了解,科学家也在研究自闭症的过程中发现,人类许多精神症状与基因关系密切,在研究自闭症的过程中,人类也更深刻地认识了自身。
先天生成与后天形成
最早研究自闭症的时候,坎纳医生认为,这种疾病可能是父母对孩子的过分冷漠而导致的,也正因为这样,“自闭症是完全由后天因素导致的”这个观点曾经流行了很长时间。
直到有研究者发现,在一个家庭中,如果一个孩子患有自闭症,其他孩子也是自闭症患者的概率大大上升;家族中出现自闭症患者,家族内其他成员罹患自闭症的概率也大大上升。这些说明自闭症具有比较明确的家族遗传模式,提示自闭症与遗传因素密切相关。
疫苗疑云与遗传之谜
1998 年国际医学学术期刊《柳叶刀》(Lancet)发表了一篇报道,英国韦克菲尔德(A. Wakefield)医生发现8 位儿童在接种了麻疹、腮腺炎和风疹疫苗(MMR)后一个月内开始出现了自闭症症状,因而怀疑MMR疫苗接种有可能导致自闭症。
此研究掀起一场轩然大波,无数家长担心孩子安全而不敢给孩子接种MMR 疫苗,而在之后的十余年中,疫苗与自闭症的关系始终扑朔迷离。
2010年2月,经过严格的调查发现,这篇文章的作者对研究的原始数据存在着选择性选用,而且存在收受律师协会贿赂等情节,《柳叶刀》宣布撤销了这篇引起很大争议的文章,韦克菲尔德也被英国吊销了行医执照。
美国疾病控制与预防中心在2011-2013年接连发布了一系列研究结果,通过大规模的数据分析及实验证明,8种用于小儿免疫接种的主要疫苗十分安全,不会导致自闭症。
尽管官方已出具权威的报告,民众始终很难完全放心,究竟给孩子接种疫苗是否安全?随着科学研究的进展,这些未解之谜慢慢被揭开。
首先,必须寻找导致自闭症的罪魁祸首——遗传因素。
科学家从20 世纪最后10 年开始了寻找自闭症易感基因的竞赛。有趣的是,遗传性疾病与基因突变的关系也在对自闭症的研究中得到重新认识。
传统的观点认为,遗传性疾病往往可以找到少数几种明确的致病基因,比如镰状细胞贫血往往由编码血红蛋白的基因发生突变所致,各种癌症也往往与癌基因的突变紧密相关。
但是,当研究者在收集成百上千例自闭症患者及其直系亲属的遗传样本后,运用经典的基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)方法,却极少能找到自闭症患者中出现明确的致病基因。
并发现,自闭症患者中发生的遗传突变往往因人而异,各人之间大多不一样,很少有共同的致病基因,基因组关联分析法在寻找自闭症致病基因的过程中陷入了困境。
恰恰在这个时候,生物学一场革命的悄悄到来,给自闭症致病基因的筛查带来了希望。
人类基因组计划
在世界各国科学家共同努力下,人类基因组终于在20 世纪最后10 年被成功破译,组成人类基因组的30 亿个碱基被测序完成,这个庞大的项目被称作人类基因组计划(Human Genome Project),人类终于可以对自己的遗传信息有全面的认识。
那么,在基因组测序已经变成检测基因突变的日常手段的现在,我们该如何寻找自闭症的致病基因呢?
目前的基因组测序比较常用的方法包括获取基因组全部信息的全基因组测序(whole-genome sequencing,WGS)和获取编码蛋白外显子组全部信息的全外显子测序(whole-exome sequencing,WES),由于测序准确、价格便宜,全外显子测序成为科学家寻找遗传疾病致病基因普遍采用的一种方式。
在过去5 年中,尤其是在2014 年,一系列通过收集上千例自闭症病例的研究,利用全外显子测序等方式全面寻找了自闭症可能的致病基因,找到的相关基因突变约100 多个。
这100多个基因的突变是如何导致自闭症的?
神经科学研究
既然遗传学无法破解基因突变与自闭症的相互关系,那么可否借助神经科学的研究,来确定某种基因的突变究竟是否会导致自闭症呢?
自闭症是一种精神疾病,同属于精神疾病范畴的还包括精神分裂症、双向情感障碍及抑郁症等。
精神疾病不同于神经退行性疾病,如阿尔茨海默症(又称老年痴呆症)与帕金森病等等,并没有明显的神经元病变。
面对精神疾病患者,往往需要磁共振等脑成像工具来对大脑进行无创伤的研究,而自闭症患者往往是少年儿童,他们往往很难与人正常沟通,不易采集高质量的脑成像,因此世界各国对于自闭症的脑成像研究一直进展缓慢。
对神经生物学家来说,首先要解决的问题是,究竟这些在自闭症病人中发生突变的基因对神经系统有哪些重要的功能?
科学家在对自闭症的遗传分析中发现,许多突触蛋白的编码基因发生了突变。
突触(synapse)是大脑的基本组成单元,是神经细胞之间进行通讯的基本单位,突触中有许多蛋白质有重要功能,突触本身具有可塑性,也就是对突触进行一系列的刺激后,突触会发生更容易激活或更容易抑制,这种可塑性很可能是大脑进行学习记忆和情绪反应等认知功能的神经生物学基础。
突触结构图
找到了那些与神经细胞突触传导功能关系密切的基因后,需要探究其发生突变后所产生的结果。
首先,在自闭症患者中这些基因突变是否影响其编码蛋白的正常功能;其次,运用基因工程方法,在模式动物(例如啮齿类或非人灵长类)中引入自闭症相关的基因突变,在含有同样基因突变的动物模型中,观察是否有可能出现类似孤独症的症状。
突触蛋白与自闭症
在自闭症患者身上发现的一大类基因突变都发生在一些在突触中起粘联功能的蛋白的编码基因中,这类突触粘联蛋白负责把突触连接起来。
这个家族蛋白中的神经配蛋白(neuroligin)位于突触的接收端,而神经连接蛋白(neurexin)位于突触的信号发放端,它们相互作用使神经细胞间得以进行正常的信号传递。
在自闭症中的遗传筛选分析大多都是如此,研究者找到很多在自闭症患者身上发生突变的基因,都是以前被发现有重要功能的蛋白编码基因,当它们被发现在自闭症患者中有突变的时候,研究者才意识到它们的重要性。
聚德霍夫在得知neuroligin-neurexin家族蛋白的编码基因在自闭症患者中发生突变后,立即进行了大量研究工作,其中最著名的研究即是2007 年将在自闭症患者中找到的一个基因突变neuoroligin3 R451C 移植到小鼠中,将小鼠的同源基因neuroligin3 也在同样位点做了基因突变,这个携带有与人类自闭症相同突变的小鼠居然表现出与人类自闭症患者非常相似的表型,表现出重复刻板的行为和不愿意与同伴小鼠进行交往等行为。
托马斯·聚德霍夫
研究发现,携带neuroligin3 R451C突变的小鼠大脑中,抑制性突触比正常小鼠的多,功能更强。
而这项研究首次成功地在小鼠中显示了人类自闭症的表型,也提示人们可以用基因工程的方法,在动物模型中模拟人类自闭症,探讨发病原因,并筛选改善和治疗自闭症的药物。
基因的“过犹不及”
在自闭症的遗传学研究中,除导致突触蛋白结构变化的编码基因突变外,近年来还发现有另外一类的基因突变,表现为一段染色体区域的倍增或缺失,即拷贝数变异(copy number variations)。
拷贝数变异也是在完成了人类基因组测序之后才被发现的。由于染色体区段的缺失往往导致基因的丢失,而染色体区段的倍增则会导致基因过多,原来除了基因突变导致蛋白质丧失功能,居然某些基因过多也会导致对神经系统的破坏。
2009 年医生和科学家发现,在一些严重自闭症患者中,一个甲基化DNA 结合蛋白MeCP2 (methyl CpG-binding protein 2)的编码基因出现拷贝数的倍增。
MeCP2 是一个甲基化DNA 结合蛋白,具有调控基因表达的重要功能。1999 年佐格比(H. Zoghbi)教授发现一种严重的神经发育性疾病要要瑞特综合征(Rett syndrome)也与MeCP2 基因突变密切相关,95%的瑞特综合征患者携带的MeCP2 基因发生缺失功能的突变,因为瑞特综合征患者有部分与自闭症患者类似的表型,早期也被归为自闭症谱系障碍的一种(autism spectrum disorders)。
这些证据表明,基因表达的表观遗传学调控与神经系统的发育与功能密切相关,如果失调可能导致神经发育性疾病,例如自闭症等。
经过数年的深入研究,科学家发现MeCP2 蛋白质确实对神经元的突触功能有重要影响。
研究者陆续制作了多种MeCP2 基因敲除与转基因的小鼠模型,来观察如果小鼠携带有过多的MeCP2 蛋白,是否能表现出类似自闭症的表型。
2006 年佐格比研究组将人MeCP2 基因转入小鼠后,惊奇地发现携带人类MeCP2 基因的转基因小鼠表现出焦虑水平上升和社会交往行为缺陷等类自闭症表型。
这个小鼠模型极大地推动了自闭症的研究,人们可以研究过多的MeCP2蛋白究竟如何影响大脑发育,更重要的是,这个模型是否能告诉我们含有自闭症基因突变的哺乳类大脑在发生社交障碍的时候,大脑里究竟发生了什么。
免疫导致的自闭症动物模型
2007年帕特森(P. Patterson)教授研究组发现用给怀孕母鼠注射白介素6(IL-6)的方法可以诱导子代小鼠出现明显的类自闭症与精神分裂症表型,这种方法被称为母源免疫激活(maternal immune activation,MIA)。
研究者发现,在MIA 诱导的类自闭症小鼠模型中出现了代谢系统紊乱,而改善代谢紊乱的药物居然可显著改善MIA 小鼠模型的自闭症表型。
这些研究结果令人振奋,但是同时必须认识到,自闭症的起因多种多样,用MIA 方法诱导的模型是否能够完全模拟人类自闭症还需深入研究。
虽然在小鼠中引入与人类自闭症相关的突变,进而研究自闭症基因突变如何影响大脑发育已经有很多重要发现,但是人们始终疑惑的是,像自闭症这种复杂的精神疾病,能否用啮齿类来准确模拟呢?能否确定小鼠的类自闭症状是否与人类的自闭症足够相像呢?
人类的大脑沟回很多,整体大脑的体积与复杂程度,是啮齿类动物的大脑完全无法比拟的。目前在小鼠中尝试成功的一些神经疾病药物结果,在人类病患身上的临床试验很少获得成功。
因此,是否可以用进化上与人类尽可能相近的生物来构建自闭症动物模型还是一个问题。
2016年1月,中国科学家运用基因工程方法,首次得到了携带自闭症基因MECP2的转基因猴,并证明这些携带有人类自闭症基因的转基因猴可以稳定的将自闭症基因传至下一代。
研究中得到的转基因自闭症猴(作者 供图)
这些携带人类自闭症基因的MECP2转基因猴表现出与人类自闭症病患非常相似的重复刻板行为,与社交行为障碍,对这些转基因猴的脑成像研究正在开展,这些模型将为我们提供基因与大脑结构关系的第一手证据,为我们认识基因怎样影响灵长类大脑发育与结构提供重要线索。
有了这些携带人类疾病基因的灵长类模型,就有可能在更接近人类的动物系统中研究这些基因突变怎样改变灵长类动物大脑,进而获得更接近人类的药物筛选系统。
自闭症研究的未来
自闭症研究让我们认识到,人类的复杂社交行为有可能是通过精妙的神经环路来调控的,因此对自闭症的科学研究,将为深入认识人类社交行为的神经环路基础提供重要线索。
得益于DNA 测序技术的飞速进步,未来对自闭症的遗传分析可以更加深入和全面,可以揭示以前无法找到的基因突变与染色体结构变异。
在对疾病基因的神经生物学研究方面,科学家也将积累更多的数据,有助于对某些基因突变是否与疾病相关的判断。
相信在不远的将来,神经科学在自闭症动物模型中的研究,定会帮助我们找到基因突变如何导致自闭症的机理和有效的干预方法。