自闭症谱系障碍与共病的主要易感基因

薛改丽，白占涛，3，刘 霞，3*

(1.延安大学生命科学学院；2.多肽资源药物研究中心；3.陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西延安716000)

自闭症谱系障碍(Autism Spectrum Disorder，ASD)，是神经系统发育失调导致的广泛性发育障碍，属复杂的遗传性多基因神经精神紊乱疾病。其主要表现为社交互动障碍、语言交流障碍、兴趣缺失及重复刻板行为，另外有少量患者出现癫痫、智力低下、个体发育迟缓等较严重病症[1]。大多数患儿起病于出生后36个月以内；部分病例在2～3岁以内基本正常，但在3岁以后起病。ASD儿童的男女患病率大概是4∶1，是全世界发展最快的发育障碍之一，并且继续以惊人的速度增长，如2018年美国疾病预防控制中心(CDC)报告称，其全国范围内的自闭症患病率从两年前的1/68增加到1/59。尽管ASD发病的分子和生物学机制有诸多报道，但其确切的机制仍不甚明了。

共病(Comorbidity)是指两种或两种以上疾病共同出现在一个病人身上，其主要包括三种情况：①一个潜在的共同病因导致了两种或多种不同的疾病；②一种疾病导致另一种疾病的发生；③两种毫不相关的疾病同时发生。近年来，ASD的共病问题也非常突出，并且这些共病加大了患者的患病程度。大约70%以上的ASD病人伴随神经性发育障碍共病，其发生率明显高于单纯的神经性发育障碍的病人。有些共病如癫痫或抑郁症，可能出现在青春期甚至更晚的生活中，从而导致终身受损。ASD患者中近45%的人患有智力障碍，12%～70%的人患有抑郁症，8%～30%的人患有癫痫，42%～56%的人伴随焦虑[2]。易感基因(Susceptible gene)是指在适宜环境刺激下能够编码遗传性疾病或获得疾病易感性的基因，迄今已鉴定出800多个ASD易感基因，它们参与细胞生长和增殖、染色质重塑等各种生物学过程[2]。基因缺陷可以影响大脑发育的许多过程，例如，离子通道的分子紊乱，导致皮质发育畸形的异常皮质神经发生，或异常的特定蛋白质产物，以及突触结构和功能异常，所有这些都与ASD及其共病的发展有关[3]。因此，理解ASD及其共病的易感基因对于ASD的预防、治疗及康复具有极其重要的理论和临床价值，本文对近年来ASD及其共病共同的主要易感基因，包括MECP2、FMR1、TSC1/TSC2等的相关研究总结如下。

1 MECP2基因及其共病

甲基-CpG结合蛋白2(Methyl CpGbindingprotein 2，MECP2)是一个转录调节子，调节多个基因的表达水平，具有转录激活子和抑制子的双重作用[4]，主要在大脑的神经元和星形胶质细胞中表达丰富，MECP2在出生前后早期的突触可塑性、树突发育和神经元成熟中起重要作用。MECP2基因突变，导致MECP2蛋白缺失，被MECP2基因抑制的基因，因不能下调而过表达，从而导致雷特综合征(Rett syndrome，RTT)。当MECP2重复突变导致MECP2重复综合征(MECP2 duplication syndrome，MDS)，RTT综合征和MDS均是ASD的一种，RTT主要影响女性，而MDS几乎仅在男性中发现。Vichithra等研究了MECP2亚型在原代神经元和星形胶质细胞中的性别特异性表达，发现在产后第1天(P1)，女性杏仁核和腹侧下丘脑中的MECP2的表达水平比男性大脑区域的表达水平高，但是在P10，男性在视前区表达了更多的MECP2，并且在原代脑细胞中，男性神经元中MECP2e1的表达水平高于女性神经元[5]。研究证明了MECP2表达具有性别依赖性，也暗示了MECP2在年龄/发育阶段的特定调节机制。

据报道，癫痫和ASD样行为在患者中同时发生的概率为30%，在患有RTT综合征的人中，有60%～80%的患者有癫痫发作，而新生儿低氧性癫痫(Hypoxic Seizures，HS)和MECP2KO小鼠会在后期表现出类似ASD样行为、认知缺陷和癫痫易感性增加。常见机制主要是雷帕霉素(mammalian target of rapamycin，mTOR)的靶标和兴奋性谷氨酸能突触下游的活性依赖途径，当mTOR通路过度激活，引起神经递质受体和离子转运蛋白功能的分子变化、突触重组、细胞程序性死亡和神经发生，最终影响神经网络的形成，而这些变化均与癫痫和自闭症的发生有关[6]。Carl等发现在RTT综合征患者中mTOR的水平升高，且mTORC1和mTORC2活性复合物磷酸化明显增加[7]，提示RTT综合征与癫痫之间在mTOR通路存在共同的分子机制。

Rosenberg等用过度激活CaV1.2L型电压门控钙通道(LT-VGCC)和可透过Ca2+的AMPAR(CP-AMPAR)介导癫痫发作，从而引起神经元特异性活性依赖的MECP2S421位点磷酸化及其上游CaMKIIT286磷酸化[8]，而在新生儿HS的潜伏期用AMPAR(α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体，AMPAR)拮抗剂治疗可以减少癫痫发作，并可防止ASD样行为，如社交缺陷[5]。MECP2S421磷酸化可引起下游转录基因(如BDNF)的表达升高，致使长时程增强(LTP)和海马依赖的空间记忆受损，从而导致学习能力和空间记忆受损[9]。

以上这些研究证明，MECP2作为ASD和癫痫以及学习记忆受损等共病共同的基因和分子机制，可能是ASD和这些癫痫等共病的原因，所以继续探究由于MECP2基因发生突变引起的RTT综合征、癫痫以及学习记忆受损，三者疾病之间存在确切的共同生物学过程至关重要。

2 FMR1基因及其共病

脆性X智力低下1基因(Fragile-X mental retardation gene1，FMR1)位于染色体Xq27.3处，其编码的脆性X智力低下蛋白(FMR1 protein，FMRP)作为mRNA结合蛋白，它通过阻止核糖体翻译来调节大脑以及其他器官中数百种蛋白质的表达[10]。FMRP是一种胞质蛋白，在多数组织细胞的胞质都有该蛋白的表达，以人脑组织海马区和皮质灰质部的浦肯野细胞及表层、颗粒层神经元和睾丸组织中的精原细胞内表达最强。由于FMR1的(CGG)n重复扩展的动态突变和异常甲基化而导致FMRP蛋白不表达或低表达而影响神经元的发育成熟和突触可塑性，最终导致脆性X综合征(Fragile X syndrome，FXS)，FXS被认为是与ASD相关的主要的单基因疾病，其临床症状常表现为智力低下、社交障碍、重复行为增加，还会导致学习与记忆功能障碍、癫痫易感性增加，并且出现多动以及焦虑样行为增加。2015年Provenzano等发现同源盒转录因子encared-2(EN2)缺失时，FMRP-mGluR5信号通路失调，并伴随GABRB3(Gamma-aminobutyric acid Areceptor，beta3)表达的下调，导致ASD样行为[11]。

据报道，约有10%～20%的FXS个体患有癫痫病，FXS中的癫痫发作模式通常类似于儿童良性局灶性癫痫(Benign focalepil epsy of childhood，BFEC)。Bianchi等提出电压门控内向电流ImGluR(V)通过激活mGluR5受体介导癫痫发生[12]，I mGluR(V)的诱导可能导致整个神经元发生变化，在FMRP翻译异常的情况下，跨多个突触激活mGluR5会导致电兴奋性增强[12]。Chatterjee等研究发现FMRP缺失会导致其中某些mRNA的翻译增加，包括CNS特异性酪氨酸磷酸酶STEP，在FMR1 KO小鼠中用STEP抑制剂(TC-2153)，减少了音源性癫痫的发生率，减轻了焦虑样行为，且社交能力明显增强[13]。

FMRP还通过与IncRNA相互作用而参与阿尔兹海默病(Alzheimer′s disease，AD)的发病机制，Zhang等在Tg2576AD小鼠模型中发现，当FMRP与前体蛋白APP mRNA结合时，APP翻译被抑制，随后产生较少的淀粉样蛋白(Aβ)，然而当BC1(一种IncRNA)结合FMRP时，FMRP和APP mRNA之间的相互作用被破坏，导致APP主动翻译和Aβ产生增加，进一步导致空间学习与记忆缺陷[14]。因此，研究BC1和其他lncRNA对APP和FMRP在突触中的作用有助于了解AD和FXS的发病机理，且为研究FXS与AD共病发生的先后提供启示。

3 TSC1/TSC2基因及其共病

结节性硬化症复合物1/2(Tuberous sclerosis complex1/2，TSC1/TSC2)，同属于抑癌基因，是抑制细胞生长和增殖的两个关键信号因子，TSC1/TSC2在成人新小脑中表达量最高，其次是大脑皮质，在背侧丘脑中的表达量相对较低，在海马中也有研究[15]。TSC1和TSC2基因编码的蛋白质形成一种复合物，作用于雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路。当TSC1/TSC2发生突变时，导致其蛋白质与TBC1D7蛋白质形成的复合物功能障碍、mTORC1去抑制，导致结节性硬化症(Tuberous sclerosis，TSC)。TSC患者常伴有ASD，ASD在TSC中的患病率约50%。2012年Tsai等研究发现，TSC1杂合或纯合缺失时会导致社交互动异常、重复行为增加等ASD样行为[16]；当mTOR信号通路异常导致细胞内信号传导异常、细胞生长发育异常、神经元迁移和增殖异常、轴突形成以及突触可塑性异常，而这些机制通常被认为是导致ASD的潜在病理生理学的一部分。

2018年Maria Sundberg等在结节性硬化症(TSC)患者的小脑浦肯野细胞(Purkinje cell，PC)中发现在缺乏TSC2的hiPSC-PC中，FMRP靶标的某些成分下调，谷氨酸受体δ2(GRID2)以及突触前和突触后标记物(如突触素和PSD95)的表达降低，同时还发现与mRNA加工和运输相关的基因表达下降，且这些基因富含FMRP靶标，而FMRP可以由mTOR途径翻译后调节，因此FMRP信号传导的调节剂可能成为TSC和ASD患者药理治疗发展的目标。

许多系统性因素以及并发症会影响TSC中ASD的表型和严重程度，包括癫痫。癫痫是TSC相关的最常见的神经系统疾病，患病率约为80%～90%[17，18]，Zeng等在条件性敲除神经胶质细胞中TSC1的小鼠中证明，雷帕霉素(mTOR抑制剂)的早期治疗可预防癫痫的发展，后期治疗可减少癫痫发作[19]。小鼠小脑浦肯野细胞中TSC1缺失导致神经元兴奋性降低，并表现出异常的社交行为、学习和重复行为，雷帕霉素治疗可以预防这些变化[20]，浦肯野神经元敲除TSC2也得到了类似的结果[21]。Talos等研究发现，啮齿类动物新生儿癫痫发作模型导致mTORC1过度激活且导致社交新颖性缺陷，在新生儿缺氧性癫痫发作的动物中用雷帕霉素治疗可预防癫痫的发展并减少社交新颖性缺陷[22]；2015年McMahon等利用TSC1条件性敲除小鼠引起癫痫以及ASD样行为，发现血清素能神经元中mTOR过度活化促进ASD样行为的发生，而用mTOR抑制剂处理Tsc1flox/flox；Slc6a4-cre小鼠改善了社交行为以及重复行为[18]。综上所述，这些研究表明在早期大脑发育，各个大脑区域中mTOR通路过度激活、癫痫发作和ASD样行为的发展之间存在复杂的关系，并且还表明雷帕霉素可能是治疗mTOR信号通路受损的ASD患者和癫痫患者的有效方法。

4 PTEN基因及其共病

第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因(Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome10，PTEN)位于染色体10q23上，是一种肿瘤抑制基因，其编码影响G1细胞周期停滞并抑制PI3K/AKT/mTOR途径的磷酸酶[23]。PTEN突变已与四种已知的错构瘤综合征有关，包括Cowden综合征、Bannayan-Riley-Ruvalcaba综合征(BRRS)、Proteus综合征和Proteus综合征。据报道，5%-10%的ASD患者是由于PTEN突变造成[24]。2006年Kwon等将PTEN条件性敲除在小鼠大脑皮层和海马体的成熟神经元中，产生突变的小鼠表现出社交互动异常以及感官刺激、学习异常和焦虑样行为，并且还表现出大头畸形和神经元肥大，包括树突肥大和异位、轴突增加以及脊柱密度增加，这些异常的形态与AKT/mTOR/S6k途径的激活和Glycogen synthase kinase-3β(Gsk3β)的失活有关，而由PTEN突变造成的PI3K/AKT途径异常与ASD紧密相关[25]。Cupolillo等将PTEN条件性敲除在小脑浦肯野细胞中导致ASD样特征，包括社交能力受损、重复行为和运动学习障碍，并且其PC肥大、树突和轴突异常以及兴奋性降低[24]。

据报道从癫痫患者中也发现了PTEN突变，包括局灶性皮质发育不良。已知PTEN基因敲除小鼠有癫痫发作[26]，可以通过mTOR途径抑制剂雷帕霉素抑制癫痫发作[27]。研究表明，microRNA[28]通过调节下游靶mRNA在癫痫的发展中发挥作用。2018年TangC等研究发现PTEN-mTOR是癫痫的红藻氨酸类模型中micorRNA-21-5p(miR-21-5p)的靶标，miR-21-5p的敲除减少了癫痫发生阶段的神经元损伤，推测miR-21-5p/PTEN/mTOR轴(Axis)是预防和治疗癫痫以及癫痫损害的靶标[29]，同时PTEN突变引起ASD和癫痫，二者间存在共同的基因和分子机制，为后续研究ASD、癫痫以及由PTEN突变引起错构瘤综合征三者之间的病因具有重要意义。

磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)细胞内信号通路在乳腺癌中起重要作用。乳腺癌组织中磷脂酰肌醇-3-激酶α催化亚基(PIK3CA)和PTENmRNA的表达量均比正常乳腺组织增多[30]，表明PTEN既参与了ASD发病又参与了乳腺癌的发病。

5 SHANK3基因及其共病

富含脯氨酸突触相关蛋白3(Src-homology domain3 and multiple ankyrin repeat domain3，SHANK3)位于染色体22q13.3上，也称为ProSAP2，SHANK3是一种支架蛋白，可直接或间接与多种谷氨酸受体和对正常突触功能至关重要的肌动蛋白细胞骨架相互作用。已知SHANK3基因的突变会导致ASD，缺失或突变引起的SHANK3的单倍剂量不足占ASD患者的0.69%[31]，SHANK3缺失或突变时导致Phelan-McDermid综合征(PMS)，也称为22q13.3缺失综合征，其特征是智力障碍(Intellectual disability，ID)、发育迟缓、语言缺失或延迟、新生儿肌张力减退和运动障碍，80%以上的PMS患者存在ASD或ASD样行为[31]。Simone Berkel等研究发现性激素调节SHANK基因的表达，表明由SHANK3突变造成的ASD行为存在性别差异。2019年Song等发现SHANK3敲除小鼠的脊柱密度降低，突触蛋白改变、突触功能和突触可塑性明显受损，其社交互动异常、社交记忆以及学习记忆受损，同时其焦虑样行为和机械疼痛阈值增加[31]。

Sgk家族成员Sgk2(血清和糖皮质激素诱导的激酶2)的表达在调节谷氨酸受体的膜运输中起关键作用。2019年Qin等发现，与hM3D(Gq)DREADD结合的Shank3缺陷小鼠的前额叶皮层(Prefrontal cortex，PFC)中的锥体神经元发生化学激活，恢复了PFC中的社交偏好行为和谷氨酸能突触功能，而SHANK3敲除小鼠中Sgk2表达降低，但可以通过hM3D(Gq)DREADD激活而得以挽救，从而减轻了社会缺陷和突触异常。而在野生型小鼠中阻断Sgk功能则导致PFC谷氨酸能信号传导的减弱和ASD样社交缺陷[32]。

胃肠道(Gastrointestinal，GI)异常也是ASD常见的共病之一，在ASD患者中，肠道症状的患病率达23%～70%[33]，但潜在的机制尚不清楚。2019年James等使用Phelan-McDermid综合征(PMS)的斑马鱼模型来研究ASD与GI的肠道功能关系，发现SHANK3突变是胃肠道转运和运动异常的原因，而SHANK3在肠道以及肠道微生物中的分子机制还有待进一步研究[34]，还有研究发现伴有胃肠道疾病的ASD患者焦虑程度更明显，也有研究发现胃肠道问题与多种障碍和症状表现有关，并可通过胃肠道症状预测患者睡眠障碍。

据报道，在多个病例中发现患有癫痫的患者有22q13缺失，包括SHANK3，且患病率在17%～70%之间。Holder等调查发现，SHANK3缺失的患者中表现出癫痫发作以及脑电图异常，目前尚不清楚为何SHANK3的单倍剂量不足会导致癫痫[35]；从癫痫患者iPSC分化出具有SHANK3缺失的兴奋性神经元，这些神经元显示出多种分子和神经生理异常，与正常的神经元相比，其输入阻力增加[36]。这表明与普通人群相比，具有SHANK3突变的个体癫痫患病率升高可能会增加神经元的兴奋性。综上，缺失SHANK3的患儿表现出ASD并伴有癫痫、胃肠道疾病等共病，因此，阐明这些伴随疾病在ASD中的表现、发展、变化和本质非常迫切。

6 其他基因及其共病

细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶-5(Cyclin-dependent kinase-like 5，CDKL5)也是与ASD相关的一个易感基因。与CDKL5相关的疾病是伴X遗传的疾病，其特征是较早的癫痫发作，通常为婴儿痉挛，并伴有小头畸形，以及手部刻板症，而这些神经发育障碍可以与MECP2相关的疾病相联系[37]。2008年Bahi-Buisson等在CDKL5突变的女孩中发现其存在异常的社交行为以及重复刻板动作，并伴随发育障碍和癫痫表型[38]。

SCN2A编码电压门控钠离子通道α2亚基Nav1.2，2010年首次报道了一个患有自闭症和智力残疾的儿童，其SCN2A的2q24.2q24.3染色体缺失[39]，使用全外显子组测序在两名ASD儿童中发现了SCN2A的无义突变[40]。与此同时，SCN2A突变的儿童也伴有癫痫病[41]。SCN2A主要编码兴奋性神经元中的电压门控Na(v)1.2，目前其突变如何导致超兴奋性[42]以及ASD产生的机制尚不清楚，由此可见，深入研究由SCN2A突变引起的ASD和癫痫的分子机制，对解析二者共病的病因具有重要意义。

除上述基因外，已报道的还有CASK、MEF2C、FOXG1、CNTNAP2、PCDH1等基因与ASD和共病相关[43]。

7 结语

综上，虽然有一些证据可以深入了解ASD易感基因与癫痫、阿尔兹海默症、胃肠道功能障碍、学习认知障碍以及焦虑与抑郁行为等共病的关系，但这种关联背后的生物学机制仍难以评估[2，3，14]，而且癫痫等共病发生是否会造成不同程度的ASD行为，尚鲜有报道，这就要求我们对不同亚型的ASD患者进行纵向研究，而这方面的研究成果对于医学上诊断ASD和其他共病至关重要。ASD是一种多因素疾病，具有广泛的临床和遗传异质性，目前尚不清楚在发育过程中ASD特征是如何从基因和/或环境线索中产生的，共病在发育过程中是否会影响ASD的发生也是未知的，而这些也是本实验室下一步需要着手进行探究和论证的问题。本文关注ASD和共病易感基因的发生问题，梳理了与ASD有关同时伴随共病发生的主要易感基因，证实了ASD与这些共病存在分子重叠，并提示ASD与这些共病可能共享分子机制，有助于我们更好地理解ASD的遗传病因。因此，研究ASD与共病相交的关键基因以及发育过程中ASD与共病之间的相互影响，有助于破译其共同的分子机制和/或共同的病理生理学，最终为为自闭症与共病发生的机理研究提供参考。