七十年疑雲漸去，自閉症研究前路何處？

前言：

自閉症患者往往生活在自己的世界裡，不願與別人交流。在這種異常複雜的精神疾病被發現至今的70多年間，科學家們從未放棄努力尋找根治它的良方。迄今的科學研究尚無法破解基因突變與自閉症的相互關係，但已經揭示神經發育及突觸傳導異常很可能是導致自閉症的重要因素。通過應用最新的基因工程技術，中國科學家在國際上首次建立攜帶人類自閉症基因MeCP2突變的轉基因猴，為在非人靈長類動物模型中模擬人類自閉症，探討發病原因並篩選改善和治療自閉症的藥物開啟了新的窗口。

值得一提的是，科學研究發現，人類許多精神癥狀與基因關係密切，人類在研究自閉症的過程中也更深刻地認識了自身。那些生活在自己世界的孩子並不奇怪，他們，不過是人作為一個整體在不同世界的顯現。

文 | 仇子龍（中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所）

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1940年代，美國醫生卡納（L. Kanner）發現一類奇怪的孩子，他們彷彿只活在自己的世界中，不願與別人交流。這些孩子往往有一些重複刻板的動作，不太說話或者語言模式古怪，缺乏溝通和語言交流。他給這種病起了一個名字：自閉症（autism）。在距離自閉症被發現後的半個多世紀中，醫生還發現自閉症兒童除了具有卡納醫生髮現的經典癥狀外，其中少數人具有超強的機械記憶力，或者在數學、音樂等方面有特殊才能。

近年來，隨著社會大眾對自閉症的不斷關注，大量國內外描寫自閉症的影視作品紛紛出現，讓人們對這種神秘的疾病充滿了好奇。自閉症究竟是什麼原因導致的？目前自閉症的發病率究竟有多少？能否治癒？隨著醫學與科學的發展，臨床醫生與科學家緊密合作，已對自閉症的起因與發展有了一些了解。科學家發現，人類許多精神癥狀與基因關係密切，人類在研究自閉症的過程中也更深刻地認識了自身。

致病原因：先天遺傳還是後天因素？

最早研究自閉症的時候，卡納醫生認為這種病可能是父母對孩子的過分冷漠而導致的。這樣，完全由後天因素導致自閉症的觀點流行了很長時間。一直到研究者發現，如果一個孩子患有自閉症，家庭中其他孩子也是自閉症患者的概率大大上升，並且家族中出現自閉症患者，家族內其他成員罹患自閉症的概率也大大上升。這些說明自閉症具有比較明確的家族遺傳模式，提示自閉症與遺傳因素密切相關。

疫苗疑雲與遺傳之謎

1998年，著名國際醫學學術期刊《柳葉刀》（Lancet）發表了一篇報道，英國韋克菲爾德（A. Wakefield） 醫生髮現，8位兒童在接種了麻疹、腮腺炎和風疹疫苗（MMR）後一個月內開始出現了自閉症癥狀，因而懷疑MMR疫苗接種有可能導致自閉症。這項研究掀起了一場軒然大波，無數家長擔心孩子安全而不敢給孩子接種MMR疫苗。

在之後的十餘年中，疫苗與自閉症的關係始終撲朔迷離。2010年2月，因為發表的數據存在很大問題，《柳葉刀》雜誌宣布撤銷了這篇引起很大爭議的文章。美國疾病控制與預防中心在2011—2013年接著發布了一系列研究結果，通過大規模的數據分析及實驗證明，8種用於小兒免疫接種的主要疫苗十分安全，不會導致自閉症。

1998年的報道暗示接種疫苗可能導致發生自閉症，儘管官方已出具權威報告，但民眾始終很難完全放心。讓我們回顧一下這些病例，現在已知自閉症與遺傳因素密切相關，因此是否可能這8個自閉症患兒本身的基因有易感性，而疫苗接種起到了引發作用？如果是這樣，那麼疫苗接種引發的機體免疫反應與自閉症的發展又是什麼關係？與免疫反應相關的基因突變是否可能與自閉症有關？隨著科學研究的進展，這些未解之謎慢慢被揭開。

首先，必須尋找導致自閉症的罪魁禍首——遺傳因素。科學家從20世紀最後十年開始了尋找自閉症易感基因的競賽。有趣的是，遺傳性疾病與基因突變的關係也在對自閉症的研究中得到重新認識。

傳統的觀點認為，遺傳性疾病往往可以找到少數幾種明確的致病基因，比如鐮刀型貧血症往往由編碼血紅蛋白的基因發生突變所致，各種癌症也往往與癌基因的突變緊密相關。

當研究者在收集成百上千例自閉症患者及直系親屬的遺傳樣本後，運用經典的基因組關聯分析（genome-wide association study，GWAS）方法，卻極少能找到自閉症患者中出現明確的致病基因，而且發現自閉症患者中發生的遺傳突變往往因人而異，各人之間很少有共同的致病基因，基因組關聯分析法在尋找自閉症致病基因的過程中陷入了困境。

恰恰在這個時刻，一場生物學革命的悄悄到來，給自閉症致病基因的篩查帶來了希望。

人類基因組計劃

人類基因組終於在世界各國科學家共同努力下，在20世紀最後10年被成功破譯，組成人類基因組的30億個鹼基被測序完成，這個龐大的項目被稱作人類基因組計劃（Human Genome Project）。人類終於可以對自己的遺傳信息有全面的認識。當初並沒有人預到，十幾年前需要天價才能完成的基因測序，由於測序技術的飛速發展，目前的價格已下降到令人咋舌的地步：在20世紀需要世界各國科學家花費30億美元、耗時10年時間得到的人類基因組全序列，在21世紀的今天，用最新的測序機器，可以在幾周之內、以低於1萬元人民幣的價格完成！

在基因組測序已經變成檢測基因突變的日常手段的時候，該如何尋找自閉症的致病基因呢？目前的基因組測序比較常用的方法包括獲取基因組全部信息的全基因組測序（Whole-genome sequencing，WGS）和獲取編碼蛋白外顯子組全部信息的全外顯子測序（whole-exome sequencing，WES）。由於測序準確、價格便宜，全外顯子測序成為科學家尋找遺傳疾病致病基因普遍採用的一種方式。

在過去5年中，尤其是在2014年，一系列通過收集上千例自閉症病例的研究，利用全外顯子測序等方式全面尋找了自閉症可能的致病基因，找到的相關基因突變約100多個。這100多個基因的突變是如何導致自閉症的？

神經科學研究

既然遺傳學無法破解基因突變與自閉症的相互關係，那麼可否藉助神經科學的研究，來確定某種基因的突變究竟是否會導致自閉症。

自閉症是一種精神疾病，同屬於精神疾病範疇的還包括精神分裂症、雙向情感障礙及抑鬱症等。精神疾病不同於神經退行性疾病，如阿爾茨海默症（又稱老年痴呆症）與帕金森症等等，並沒有明顯的神經元病變。面對精神疾病患者，往往需要核磁共振等腦成像工具來對大腦進行無創傷的研究。而自閉症患者往往是少年兒童，他們往往很難與人正常溝通，不易採集高質量的腦成像。因此世界各國對於自閉症的腦成像研究一直進展緩慢。

對神經生物學家來說，首先要解決的問題是，究竟這些在自閉症病人中發生突變的基因對神經系統有哪些重要的功能？科學家在對自閉症的遺傳分析中發現，許多突觸蛋白的編碼基因發生了突變。突觸（synapse）是大腦的基本組成單元，是神經細胞之間進行通訊的基本單位。突觸中有許多蛋白質有重要功能，突觸本身具有可塑性，即對突觸進行一系列的刺激後，突觸會更容易被激活或更容易被抑制。這種可塑性很可能是大腦進行學習記憶和情緒反應等認知功能的神經生物學基礎。

找到了與神經細胞突觸傳導功能關係密切的基因後，需要探究其發生突變後所產生的結果。首先，在自閉症患者中這些基因突變是否影響其編碼蛋白的正常功能。其次，運用基因工程方法，在模式動物（例如嚙齒類或非人靈長類）中引入自閉症相關的基因突變。在含有同樣基因突變的動物模型中，觀察是否有可能出現類似孤獨症的癥狀。神經科學研究者在過去10年中對這兩大問題進行了深入研究。

突觸蛋白與自閉症

在自閉症患者身上發現的一大類基因突變都發生在一些在突觸中起粘聯功能的蛋白的編碼基因中，這類突觸粘聯蛋白負責把突觸連接起來。這個家族蛋白中的neuroligin蛋白位於突觸的接收端，而neurexin蛋白位於突觸的信號發放端，它們相互作用使神經細胞間得以進行正常的信號傳遞。

neurexin蛋白和neuroligin蛋白於1992—1995年間被聚德霍夫（T. Südhof）教授用生物化學的方法純化出來。在自閉症中的遺傳篩選分析大多都是如此，找到很多在自閉症患者身上發生突變的基因都是以前被發現有重要功能的蛋白編碼基因。當它們被發現在自閉症患者中有突變的時候，研究者才意識到它們的重要性。

聚德霍夫在得知neuroligin-neurexin家族蛋白的編碼基因在自閉症患者中發生突變後，立即進行了大量研究工作，其中最著名的研究即是2007年將在自閉症患者中找到的一個基因突變 neuoroligin3 R451C移植到小鼠中，將小鼠的同源基因neuroligin3也在同樣位點做了基因突變，這個攜帶有與人類自閉症相同突變的小鼠居然表現出與人類自閉症患者非常相似的表型，表現出重複刻板的行為和不願意與同伴小鼠進行交往等行為。

深入的研究發現，攜帶neuroligin3 R451C突變的小鼠大腦中，抑制性突觸比正常小鼠的多，功能更強。這項研究首次成功地在小鼠中顯示了人類自閉症的表型，也提示可以用基因工程的方法，在動物模型中模擬人類自閉症，探討發病原因，並篩選改善和治療自閉症的藥物。

基因的過猶不及

在自閉症的遺傳學研究中，除導致突觸蛋白結構變化的編碼基因突變外，近年來還發現有另外一類的基因突變，表現為一段染色體區域的倍增或缺失，即拷貝數變異（copy number variations）。拷貝數變異也是在完成了人類基因組測序之後才被發現的。染色體區段的缺失往往導致基因的丟失，而染色體區段的倍增則會導致基因過多。原來除了基因突變導致蛋白質喪失功能，居然某些基因過多也會導致對神經系統的破壞。

2009年醫生和科學家發現，在一些嚴重自閉症症患者中，一個甲基化DNA結合蛋白MeCP2 （methyl CpG-binding protein 2）的編碼基因出現拷貝數的倍增。MeCP2是一個甲基化DNA結合蛋白，具有調控基因表達的重要功能。

1999年佐格比（H. Zoghbi）教授發現一種嚴重的神經發育性疾病——瑞特綜合征（Rett syndrome）也與MeCP2基因突變密切相關，95%的瑞特綜合征患者攜帶的MeCP2基因發生缺失功能的突變。瑞特綜合征患者因為有部分與自閉症患者類似的表型，早期也被歸為自閉症譜系障礙的一種（autism spectrum disorders）。因此這些證據表明，基因表達的表觀遺傳學調控與神經系統的發育與功能密切相關，如果失調可能導致神經發育性疾病，例如自閉症等。

經過數年的深入研究，科學家發現MeCP2蛋白質確實對神經元的突觸功能有重要影響。接下來，研究者陸續製作了多種MeCP2基因敲除與轉基因的小鼠模型，來觀察如果小鼠攜帶有過多的MeCP2蛋白，是否能表現出類似自閉症的表型。

2006年佐格比研究組將人MeCP2基因轉入小鼠後，驚奇地發現攜帶人類MeCP2基因的轉基因小鼠表現出焦慮水平上升和社會交往行為缺陷等類自閉症表型。這個小鼠模型極大地推動了自閉症的研究。人們可以研究過多的MeCP2蛋白究竟如何影響大腦發育，更重要的是，這個模型是否能告訴我們含有自閉症基因突變的哺乳類大腦在發生社交障礙的時候，大腦里究竟發生了什麼。

免疫導致的自閉症動物模型

2007年帕特森（P.Patterson）教授研究組發現，用給懷孕母鼠注射白介素6（IL6）的方法可以誘導子代小鼠出現明顯的類自閉症與精神分裂症表型，這種方法被稱為母源免疫激活（maternal immune activation，MIA）。研究者發現，在MIA誘導的類自閉症小鼠模型中出現了代謝系統紊亂，而改善代謝紊亂的藥物居然可顯著改善MIA小鼠模型的自閉症表型。

這些研究結果令人振奮，但是同時必須認識到，自閉症的起因多種多樣，用MIA方法誘導的模型是否能夠完全模擬人類自閉症還需深入研究。例如需要將MIA模型與其他自閉症基因突變小鼠進行仔細比較，並研究在MIA模型中出現的代謝異常等現象是否在其他自閉症小鼠模型中也會出現。

該項研究不禁讓我們回想起當年的小兒疫苗疑雲，難道免疫系統的異常與因神經系統功能異常而產生的自閉症有相關性嗎？我們必須認真看待這個問題，因為免疫系統與神經系統的相互作用近年來被逐漸關注。還不能定論免疫系統的缺損與異常是否一定會導致自閉症，但是對於這個前沿領域的深入研究必然讓我們對機體中兩大系統如何相互作用的機理有更深刻的了解。

更接近人類的自閉症動物模型

雖然在小鼠中引入與人類自閉症相關的突變，進而研究自閉症基因突變如何影響大腦發育已經有很多重要發現，但是，人們始終疑惑的是，像自閉症這種複雜的精神疾病，能否用嚙齒類來準確模擬呢？能否確定小鼠的類自閉癥狀是否與人類的自閉症足夠相像呢？

更重要的是，人類的大腦溝回很多，整體大腦的體積與複雜程度，是嚙齒類動物的大腦完全無法比擬的。目前在小鼠中嘗試成功的一些神經疾病藥物結果，在人類病患身上的臨床試驗很少獲得成功。因此，是否可以用進化上與人類儘可能相近的生物來構建自閉症動物模型還是一個問題。

從2013年開始興起的基因工程技術為直接操作與人類親緣最近的動物——非人靈長類（猴類）提供了巨大便利。2014年，中國科學家陸續報道了一系列利用非人靈長類製作疾病動物模型的工作，包括瑞特綜合征與帕金森症等。2016年1月，中國科學家報道首次將自閉症相關的MeCP2基因成功轉入猴子基因組，並在攜帶MeCP2基因的猴子上觀察到了數種與人類自閉症病人非常相似的表現，因此得到了自閉症的非人靈長類模型。

有了這些攜帶人類疾病基因的靈長類模型，就有可能在更接近人類的動物系統中研究這些基因突變怎樣改變靈長類動物大腦，進而獲得更接近人類的藥物篩選系統。

自閉症研究的未來

自閉症是一種異常複雜的精神疾病，對醫學與神經科學研究提出了巨大挑戰。自閉症研究讓我們認識到，人類的複雜社交行為有可能是通過精妙的神經環路來調控的。因此對自閉症的科學研究，將為深入認識人類社交行為的神經環路基礎提供重要線索。

得益於DNA測序技術的飛速進步，未來對自閉症的遺傳分析可以更加深入和全面，可以揭示以前無法找到的基因突變與染色體結構變異。在對疾病基因的神經生物學研究方面，科學家也將積累更多的數據，有助於對某些基因突變是否與疾病相關的判斷。筆者相信神經科學在自閉症動物模型中的研究，在不遠的將來，定會幫助我們找到基因突變如何導致自閉症的機理和有效的干預方法。

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本文原載於《科學》雜誌，原題為《自閉症的神經生物學研究》，《知識分子》獲作者授權發表，略有修訂。

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