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深度解讀:自閉症與遺傳的關係

深度解讀:自閉症與遺傳的關係

杜克大學姜永輝老師在2011年底提到,當時美國疾控中心(CDC)的流行病學調查數據顯示,88個小孩中有1個可能是自閉症。據美國自閉症之聲的Andy Shih透露,他們的合作方在韓國的流行病學調查結果顯示發病率更高,38個小孩中有1個是自閉症。所以,他們找到華大基因,希望合作開展10000個樣本的基因測序,尋找自閉症相關基因。該項目於2011年底啟動,前期分別對33個和北美的核心家系(父母及自閉症子女)進行基因測序。

的項目由夏昆老師和孫中生老師牽頭,夏昆老師是自閉症973項目首席科學家,該課題彙集了自閉症研究領域的專家,臨床方面的專家包括姜永輝老師、鄒小兵老師、趙靖平老師、羅學榮老師等。33個家庭,一半樣本來自中南大學湘雅二醫院,另一半樣本由復旦大學附屬兒科醫院徐秀主任和王藝副院長提供。

該項目進展順利,我們在70%的家庭中檢測了與自閉症臨床相關的基因突變,包括點突變和大的結構變異,目前文章在投稿中。在此基礎上,2013年衛生部也啟動了自閉症流行病學調查,由復旦大學附屬兒科醫院的王藝副院長來牽頭,在北京、上海、廣州、成都、哈爾濱、長沙等地開展。這個結果一旦出來,相信大家會對自閉症有更深刻的認識,國家也會加大投入。

北美的項目由姜老師和Andy協調,樣本來自加拿大病童醫院(The Hospital for Sick Children),主要負責人是Stephen Scherer教授。研究論文已經發表,見Am J Hum Genet 93(2): 249-263。研究發現,在近一半的家庭中檢測到了臨床相關的突變,既有新發突變,也有遺傳自父母的突變,既有點突變,也有大的結構性變異。

在跟進及協調自閉症科研項目時,除了接觸到科研和臨床的專家外,我也認識了一些從事自閉症公益事業的人士,包括壹基金的陳宏樂先生、姚遙先生和婦女發展基金會婦兒幫扶基金的郭海良先生等。此外我還接觸了自閉症康復服務機構,包括深圳市自閉症研究會、深圳醒目仔自閉症康復中心等,當然也認識了一些患者家長。我發現被問到最多的是自閉症與遺傳關係的問題,比如:小孩是自閉症患者,能否查出是哪個基因發生了突變;打算生二胎,風險有多高等。

跟科學家打交道比較多,也養成了追蹤文獻的習慣,我比較喜歡關注自閉症研究領域的文章。雖然也不能全信文獻,但是可以提供參考。在這裡,我把我了解的內容分享給大家,如有問題,我們可以再討論。

自閉症與遺傳因素(包括染色體和基因)的關係,這個也是困惑大家的問題,曾經有家長反駁我,說不能講自閉症是一種遺傳病。其實,我這邊要分享的,或者我想強調的是,自閉症有很強的遺傳背景,英文的原話是Autism with strong genetic background。

那麼,為什麼說自閉症有很強的遺傳背景呢,這裡面有非常多的證據,我想主要有以下六個方面的原因:

1同卵雙胞胎共患自閉症的概率為50%-90%,高於異卵雙胞胎。

這個是經典的證據,這個是研究某種疾病是否跟遺傳相關的通用做法,即看同卵雙胞胎和異卵雙胞胎同患某種疾病的概率的差異。

雙胞胎從受孕到出生,經歷的環境差不多。雙胞胎之間有沒有差異,差異多大,科學家根據這個來判斷一個疾病的遺傳度到底有多大。

現在發現遺傳度是50%到90%,簡單的理解是,同卵雙胞胎,一個得病,另一個也得病的概率是50-90%。為什麼有一個範圍呢,我仔細讀了這些原始文獻,找到了答案。由於這種雙胞胎比較難找,較早發表的文章研究的樣本較少,得出的結論是遺傳度比較高,甚至高達90%;新發表的文章樣本量更大,發現遺傳度比原先發現的要低,甚至低至50%。

2自閉症患者父母生二胎患病概率顯著高於正常人群

還有一個是現在大家比較關注的問題,如果在自閉症家庭裡面有一個小孩得了自閉症,第二個小孩(二胎)得自閉症的概率明顯是高於正常人群的。

正常人群的發病率大概為1%,但是對於自閉症家庭,據報道這種概率為8%-25%。當然,這個沒有系統的文章報道,只是在一些綜述性文章裡面提到了這些數據。如Nat Rev Genet. 2008, 9(5): 341-355. 和Curr Opin Genet Dev. 2012, 22(3): 229-237.等。

3男女患者比例顯著偏離1:1,為4:1

自閉症裡面還有一個現象,男女患病比例不是1:1,而是男性患者多一些,男女患者比例可能高達4:1,這意味著自閉症可能跟性別或者性染色體有關。

由於男性只有一條X染色體,假設是隱性遺傳模式,男嬰X染色體上的基因,只需一個拷貝的基因發生遺傳突變或者新發突變就會致病,女嬰兩個等位基因同時發生突變才會致病,概率也應該小一倍。

現在,科學家也找到了一些X染色體連鎖的基因與自閉症有關,一個經典的例子是脆性X綜合征(Fragile X Syndrome,FXS),是由於X染色體上FMR1和FMR2(也叫AFF2)基因突變所致。

FXS的患者,一般表現為中度到重度的智力障礙,其中有一部分患者觀察到有自閉症的表型。FMR1和FMR2(也叫AFF2)基因被認為或懷疑是自閉症致病基因,現在去醫院診斷自閉症,有一些醫生會推薦先查一下這個基因的突變,來進行自閉症的鑒別診斷

4父母生育年齡越高,風險越大

現在比較多的證據表明,父母生育年齡越高,孩子患自閉症的風險也越大。比較直接的證據指出,年齡越大,生殖細胞DNA發生突變的概率越大。這類證據也比較直接地支持了自閉症有很高的遺傳背景這一假說。

5自閉症患者和父母有相似的表型,可能呈現數量性狀遺傳

當然,這些證據也只是在綜述文章裡面提到,可能需要深入研究。不過,在自閉症家庭里,如果仔細觀察,確實能觀察到些許這樣的現象。這類證據可能被忽視了。

現在大多評估只是關注自閉症孩子本身,可能沒有仔細評估其父母。這類現象,或許可以通過遺傳學中的數量性狀遺傳來解釋。數量性狀,可能是多個基因控制的,每個基因的貢獻比較小,這類性狀也容易受到環境的影響。

6已發現大量自閉症臨床相關突變,包括遺傳突變和新發突變,點突變和結構變異

隨著測序技術的進步,通過對大量的自閉症家庭進行全基因組或者全外顯子組掃描,科學家已經發現了大量自閉症相關的基因突變,這些突變,有些是遺傳自父母的突變,有些是新發的突變(de novo mutation),有些是單個鹼基的突變(點突變),有些是大的、複雜的結構變異。

無論如何,這類是再直接不過的證據了,即支持自閉症有很強的遺傳背景這一假說。總之,現在可以這麼講,自閉症有很強的遺傳背景。

哪些基因與自閉症有明確的關係?

之前我們講到,自閉症有很強的遺傳背景,那麼,科學家到底找到了哪些基因跟自閉症有明確的關係?Stephen Scherer教授等對此進行了非常系統地論述。詳見圖1。

圖1. 自閉症遺傳結構圖(來自Curr Opin Genet Dev. 2012;22:229-37)

自閉症相關的遺傳信號主要來自一下四類:自閉症相關的綜合征(ASD-related syndromes),罕見的染色體結構異常(Rare Chromosomal Abnormalities),罕見的拷貝數變異(CNVs,註:與拷貝數變異相關的致病基因尚不清楚)和罕見的外顯基因(Penetrant Genes,即該基因突變能與疾病表型對應起來),下面我來一一介紹。

第一類:自閉症相關的綜合征(ASD-related syndromes)

這類遺傳信號可以在約10%的自閉症患者裡面檢測到。我前面提到的脆性X染色體綜合征(Fragile X Syndrome)的致病基因FMR1和FMR2(也叫AFF2),就在這一類裡面。在Brett Abrahams教授2008寫在Nature Review Genetics的綜述中,對此類基因進行比較全面的概述,我跟Brett也有過交流。這類基因發生突變,雖然只能在約10%自閉症患者中檢測到,但是,一旦在自閉症患者中檢測到了這些基因的突變,就極有可能解釋自閉症的表型(見下圖2,攜帶自閉症相關的綜合征致病基因的患者,同時患自閉症的概率很高)。這也是在進行臨床確診時,進行基因檢測的根據。目前有公司在開發針對單個基因或者所有自閉症相關的綜合征致病基因的檢測試劑盒。

圖2. 自閉症相關的綜合征,引自Nat Rev Genet. 2008, 9(5): 341-355.

第二類:染色體結構異常

如21三體綜合征(多一條21號染色單體),特納綜合征(X染色體缺失或結構異常所致),多一條X染色體,多一條Y染色體等綜合征。這類信號可以在5%的自閉症患者中檢測到。隨著超聲,無創基因診斷等技術的進步,這一類結構異常是容易在孩子出生前被檢測出來的。

第三類:罕見的拷貝數變異

主要表現為亞顯微水平的缺失和重複,由於缺失和重複的區域較大,涉及很多基因,具體哪個基因起作用還不是很清楚。不過這類信號的檢出率也比較高,目前國際上已經在推薦使用染色體晶元技術作為自閉症(ASD)、智力障礙(ID)、發育遲緩(DD)、多發畸形(MCA)患者的一線篩查,見圖3的綜述。

我曾經諮詢過北京、上海、廣州、香港的開展過此類檢測的醫生朋友,尤其在合併多發畸形,合併癲癇的自閉症患者中,檢出率大概在5-20%。

圖3. 拷貝數變異在自閉症(ASD)、智力障礙(ID)、發育遲緩(DDR)、多發畸形(MCA)患者中的檢出率。摘自Am J Hum Genet. 2010, 86(5): 749-764.

第四類:罕見的外顯基因突變

外顯基因(Penetrant Genes),是指該基因突變能與疾病表型對應起來。這一類基因,大多是隨著測序技術的進步和基因功能研究方法的突破,不斷被報道並證實跟自閉症相關。如一系列突觸相關基因NRXN1、NLGN3、NLGN4X、CNTNAP2、SHANK3被先後報道出來,這些基因的突變可能導致了突觸可塑性(Synaptic plasticity)的改變,從而導致自閉症(註:神經可塑性是指,為了主動適應並對外界環境各種變化作出反應,神經系統發生結構和功能的改變,並維持一定時間,這種變化就是神經的可塑性)。第四類,即罕見外顯基因信號研究進展,見下方圖4,即中科院北京生科院吳金雨研究員和我於2013年寫的自閉症綜述文章(Genet Res (Camb), 2013, 95(4): 121-129.)

圖4. 基於新一代測序發現的自閉症相關基因

科學家通過基因組測序發現了什麼?對患者有何幫助?

高通量測序技術為疾病致病基因的發現帶來了革命性變化。從2010年開始,對於罕見遺傳疾病,科學家只需要對一個或幾個家系中的少量患者和正常對照樣本進行全外顯子組測序,就有希望找到致病基因。

但是,對於神經系統疾病這類複雜疾病,前面我們講到,由於可能是多個基因共同其作用的結果,環境因素也在其中扮演了非常重要的作用,就沒有那麼容易了。

關於神經系統疾病致病基因研究,目前有兩類研究方法:

一是全基因關聯研究,即收集一組疾病樣本和一組對照樣本,然後進行全基因組基因分型,看哪些基因或者位點可以跟疾病的表型強關聯,即有可能是致病基因。這類方法從2005年開始就被廣泛用於複雜疾病致病基因的尋找,也取得了很大的進展。不過這類方法,樣本需求量大(疾病樣本一般要求1000以上),成本也較高(整個項目投入在好幾百萬元),關聯到的很多位點,並不在基因內部,也不能研究那些人群中低頻的突變,而這些低頻的突變極可能是有功能的、跟疾病相關的。

2011年開始,科學家採用了一類新的研究方法,即通過收集三口或者四口之家(父母正常,一個或者2個小孩患病)進行全外顯子組測序,按照隱性遺傳模式,或者新發突變的思路和方法,去找尋自閉症致病基因(Nat Genet ,2011,43(6): 585-589)。目前,這類方法已經被用於大部分神經系統疾病的研究,也取得了很多的進展。我覺得,這其中的一個優勢是只需要對少部分的家庭進行全基因組測序,科學家的投入也少了,另一個優勢是可以直接使這個家庭受益,無論我們有沒有找到跟疾病相關的突變。

2011年開始,華大基因聯合加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的Jonathan Sebat教授通過對10對同卵雙生的自閉症患者及其正常父母進行了全基因組測序,並沒有找到臨床相關的突變。

我們發現每個後代中平均包含58個新發突變,新發突變與父親的年齡相關(其他的文章也看到了這一點),不過這類新發突變在基因組中表現出高度的非隨機性,一些與自閉症相關的基因發生新發突變的可能性是要高於其他的基因(詳見:Cell 2012, 151(7): 1431-1442)。

對於那些沒有神經系統疾病家族史、生育年齡正常的家庭,如果孩子患有自閉症,很可能是偶然性因素作用的結果。

2013年,我們和美國自閉症之聲(Autism Speaks)在《美國人類遺傳學雜誌》上發表了一萬份自閉症基因組測序項目(Autism Genome 10K)的首期研究結果,通過對32個加拿大家庭(自閉症患者和父母)進行全基因組測序,在16個自閉症家庭中,我們找到了自閉症臨床相關的基因突變。其中6個家庭檢測到了新發突變,10個家庭檢測到了遺傳突變(X染色體或者常染色體遺傳),詳見Am J Hum Genet, 2013, 93(2): 249-263。

對於這16個找到了臨床相關突變的家庭,我們提供了直接的幫助,比如說,G號家系(圖5),通過全基因組測序,找到了致病基因AFF2。

通過系統的臨床評估,我們還發現,該家系爸爸有抑鬱症,並且父親在嬰兒時期有癲癇的癥狀,基因檢測結果發現爸爸是KCNQ2突變的攜帶者(KCNQ2是癲癇的一個致病基因)。媽媽有閱讀障礙(自己說的),同時有哮喘高血壓,基因檢測結果發現媽媽是AFF2基因突變的攜帶者(AFF2是脆性X染色體綜合征的致病基因)。

這個患者可以參考脆性X染色體綜合征藥物STX209的臨床實驗,該藥物被報道有療效,見Sci Transl Med 2012, 4(152):152ra127或者關注國際藥物臨床實驗的官方網站(關注相關研究的最新進展、如何加入等)。

圖5,G號家系(摘自Am J Hum Genet, 2013, 93(2): 249-263)-02,爸爸,嬰兒期有癲癇癥狀,-01,媽媽有閱讀困難(自己說,未確診)、哮喘高血壓

還有一個經典例子跟大家分享,這是一篇2012年發表在Science雜誌上的文章,見Science, 2012, 338(6105): 394-397,作者通過對558和18號近親結婚家系中的自閉症合併癲癇、智力障礙、不正常腦電圖患者進行全外顯子組測序,迅速找到了BCKDK基因的失活突變,並在1453號家系中進行了驗證,也找到了BCKDK基因的不同突變(圖6)。

接著在小鼠身上進行了試驗。結果發現,當BCKDK失活時,這些嚙齒動物會出現諸如震顫、癲癇發作及後肢抱握癱軟等神經系統異常。進一步研究發現BCKDK失活會導致支鏈氨基酸(BCAAs)的減少,通過給那些BCKDK缺乏的小鼠提供富含支鏈氨基酸就能夠逆轉那些異常中的某些情況。

對於患者,富含BCAAs的飲食可幫助將血漿BCAA水平正常化。這可能是一種罕見但可治療的自閉症形式。

圖6,近親結婚家系圖(見Science.2012,338(6105): 394-397)

圖解說明:

方框代表男性,圓圈代表女性,標黑的代表患者,單連接線代表婚配,雙連接線代表近親結婚,I,II, III,IV代表世代。

18號家系,埃及血統家系;

1453號家系,利比亞血統家系,自閉症合併智力障礙;

558號家系,土耳其血統家系,自閉症合併智力障礙,癲癇和不正常腦電圖(EEG)。

當然,尋找自閉症致病基因並非易事,不是每一個家庭都能準確找到致病基因突變,或者臨床相關的基因突變。

就拿Science這個例子來說,首先,這兩個家系的患者,有家族遺傳史,而且是近親結婚,癥狀典型(自閉症合併了癲癇、智力障礙等),相對於父母正常、小孩患病的普通家庭,是更容易找出致病基因突變的。

其次,要歸功於技術的進步,通過全外顯子組測序,能夠對所有基因的蛋白編碼區進行測序,迅速、準確地鎖定致病基因。

最後也是最重要的,科學家必須有經費投入,這些年發達國家對自閉症研究的投入很大,在這方面的投入確實太少。我之前協調過一萬份自閉症基因測序項目,感覺到這方面的經費缺口太大。

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