专访中科院神经科学研究所仇子龙博士:自闭症基因探秘,只为来自星星的你

38岁的伦敦作家Daniel Tammet出生时即表现出原因不明的癫痫症状,直到25岁才被确诊为自闭症谱系的阿斯伯格综合症(Asperger Syndrome)。但这却注定不是伤害的诅咒,而是天才的赠礼。成长于大家族之中的Daniel Tammet竟然克服了先天神经系统异常,展现出惊人的记忆和联想天赋!掌握超过10种语言,能“看见”上万个数字在大脑中与彩图相连,可在大脑中心算超过100位数的运算,甚至通过1周强化训练掌握冰岛语;更重要的是,他还拥有着基本正常的社交能力。这无疑是一个令人振奋的故事。

自闭症天才Daniel Tammet(左) 被英国人称作Brain Man;张纯如(右)36岁时开枪自杀,其幼子患有自闭症

然而我们却还要说一个令人揪心的故事。美国华裔作家张纯如在代表作《南京大屠杀(The Rape of Nanking)》问世后,成为用生命照亮历史的英雄。但写作主题的残忍却让她把伤痛留给自己:高强度工作导致作息紊乱,披露日本二战罪行更带来右翼暗杀威胁,盛名之下的年轻作家逐步陷入抑郁。但压垮骆驼的最后一根稻草,是张纯如两岁的儿子被确诊为自闭症谱系中的阿斯伯格综合症不堪重负的才女36岁时饮弹自尽,扔下幼子、撒手人寰。多年之后,其夫表示孩子的康复进程不断出现反复。

所以,自闭症究竟是字面意义表达的心理问题,还是无法治疗的神经系统遗传疾病,甚至是有望康复且带来超常智商的可逆症状?数十年来中外自闭症确诊比率在幼儿人群中快速上升,但许多人仍对该疾病存有疑惑甚至误解,而自闭症病因探寻和治疗手段的发现之路也的确任重道远。中科院神经科学研究所的仇子龙研究员作为国内自闭症基础科学研究的代表,阐述了多个自闭症相关基因调控神经发育的分子机制,其团队建立的灵长类动物自闭症模型入选科技部“2016年中国科学十大进展”与中国科协“2016年中国生命科学十大进展”,为自闭症神经机理研究和治疗手段开发奠定了坚实基础。

来自星星的孩子:我的神秘连接组

药明康德:自闭症患儿的发病原因、症状以及康复进程差异很大,所以人们对该疾病的理解可能大相径庭。请您介绍一下自闭症的研究历史和基本症状。

仇子龙博士:自闭症也称孤独症,是一种非常严重的神经元突触异常疾病。上世纪30-40年代,奥地利医生Hans Asperger和美国医生Leo Kanner分别发现并描述了自闭症患儿人群。然而自闭症(Autism)的命名,却容易被误以为是后天教养所造成的性格问题。事实上自闭症成因的争论也走过漫长曲折的过程,二战后美国自闭症儿童确诊量迅速上升,不少全职妈妈被指责为孩子患病的推手,还被贬低为“冰箱母亲”。直到1969年Leo Kanner医生首次在自闭症大会上确认,患儿发病与家教没有因果关联

目前自闭症被限定为幼年发病的精神科疾病,患儿共同症状包括行为刻板、语言能力不全和社交障碍。因为与外界缺乏交流,人们认为这些孩子似乎不愿理解人类语言,只能沉浸在自己的世界里,他们也因此被称作“星星的孩子”。其实自闭症患儿还可能表现出运动、智力、情感障碍,甚至还可能伴有癫痫、脆弱X染色体综合症等遗传病。

人们对于自闭症的好奇,还源于少数患者能够康复性获得不同程度的社交能力,并培养出数字、记忆、音乐、美术等领域的出众才华。这些患者通常被确诊为自闭症中的轻症亚型——阿斯伯格综合症(即得名于自闭症发现者之一Hans? Asperger),然而只有少数阿斯伯格综合症患者具有高功能的天赋,并被称作天才/学者症候群(Savant Syndrome)。相反,被确诊为自闭症其他亚型的患儿,则表现出更为严重、广泛的神经发育障碍,有不少人甚至出现严重的智力落后。

达斯汀·霍夫曼(左)在《雨人》中扮演男主角。角色原型为自闭症天才Kim Peek,可一字不漏记忆近万本书籍,其天赋随年龄增长毫无衰减。

药明康德:神经退行性疾病患者脑组织结构病变已经比较明确,自闭症的病因研究与诊断方式有哪些特点?

仇子龙博士:在脑疾病领域,我们已经发现了神经退行性疾病以及感染源明确的朊病毒疾病。然而包括精神分裂、抑郁症、自闭症等精神科疾病的病因探寻却充满挑战,多数患者脑部扫描结果正常,难以观察到器质性脑组织病变,更无法找到作为明确病因的生物诊断标志物。所以目前国内外诊断自闭症仍然停留在行为学问诊,疑似患儿只能通过父母来填写问卷调查,然后临床医生依靠经验和相关检查数据来判断。不可否认,其诊断可能存在主观和滞后性。

引起自闭症的直接原因,目前已经明确认为基因突变破坏神经元突触的可塑性,从而导致神经环路异常。人脑包含上百亿个神经元,每个神经元可形成上千个突触,从而组成亿兆级的神经环路网络。目前已经有专门针对神经网络研究衍生而出的神经元连接组学(Connectomics),有的科学家直接喊话“我就是我的连接组”。由此可见突触对于智商情商发育和整体生理功能的重要性,一旦幼儿的神经元突触可塑性被影响甚至破坏,就可能出现自闭症等神经发育疾病。

导致自闭症相关基因突变的因素仍有多种假设:遗传、免疫、围产期子宫内外环境等等。现在科学家已经发现了上百个与自闭症相关的基因突变,并且在小鼠实验阶段已经发现了一些有望恢复大脑突触可塑性的药物。因此对于疑似患儿的全基因组测序和全外显子测序,有利于该疾病的诊断与对症治疗,目前美国和欧洲已经收集了上万例自闭症患儿的样本基因,我们团队也正与明码生物科技(WuXi NextCODE)合作建立中国自闭症全外显子测序数据库,以推进中国自闭症遗传学研究。

西方童话《Goldilocks and The 3 Bears》:金发女孩闯入棕熊家,从三只小熊的用品中,选择了尺寸和口味最适合自己的床、椅、食物。

神经系统基因森林中的“金发女孩”

药明康德:西方童话《金发女孩与三只熊》衍生出了“金发女孩法则”,表示恰到好处的参数对于维持体系稳态至关重要,该原则也被用于多门学科的术语描述有科学家就将自闭症相关基因MeCP2称作神经系统中的“金发女孩”,该基因也是您重点研究的课题之一,请您谈谈这个基因的特别之处。

仇子龙博士:1992年爱丁堡大学Adrian Bird博士发现了MeCP2基因编码的蛋白,这种蛋白可以与单个被甲基化的DNA片段发生相互作用,以及直接招募转录抑制因子而关闭基因表达,从而调控神经元突触功能。1999年神经科医生Huda Zoghbi博士发现,如果MeCP2基因缺失,会导致女童患上瑞特综合症(Rett Syndrome),该疾病过去也被列为自闭症家族谱系亚型之一:患儿大多终身在轮椅度过,而且没有语言和认知能力,比典型自闭症患儿的情况更严重。Huda Zoghbi博士之后还发现MecP2基因如果出现拷贝数增倍(Copy number variation,基因拷贝数突变),则会导致男童发生严重的自闭症。由此可见MeCP2基因编码的蛋白,在人脑神经系统必须保持精确的含量,缺失与增多都不行。

虽然带有MeCP2基因突变的病人只占自闭症人群的3%,但此基因突变导致自闭症的外显率却很高。现在已经有其他学者发现MeCP2基因还会影响BDNF(神经营养生长因子)等重要蛋白表达水平。正是因为MeCP2可能处于众多自闭症基因网络的要害,所以我们团队也一直致力于该机理的研究。过去我们已在《Developmental Cell》发表论文,通过对MeCP2基因敲除的小鼠海马区microRNA定量分析,发现MeCP2可以直接调控MicroRNA的转录后加工复合物DGCR8/Drosha,从而影响microRNA加工及靶基因表达,进而影响大脑发育。人们已经发现,循序渐进地为MeCP2基因缺失的瑞特综合症患儿补充该基因表达的蛋白,被损坏的突触可塑能力则有重新恢复的迹象,所以我相信MeCP2基因的致病机理和疾病相关药物靶点研究,都有许多探索空间。

MeCP2蛋白在细胞内发挥多种功能(图片来源:《Neural Plasticity》杂志)

药明康德:如果说人体是一台精密的仪器,大脑就是它的中央处理器。许多特定基因表达的在神经系统中都是不可或缺、过犹不及,那么除了MeCP2基因,人脑中是否还有其他这样的“金发女孩”?

仇子龙博士:人体第15号染色体的UBE3A基因,表达的是泛素连接酶E6AP,该蛋白如果与人类乳头瘤病毒HPV表达的E6AP蛋白、以及大名鼎鼎的P53蛋白结合,则会降解人体内多种抑癌蛋白,从而导致癌症发生。但是在神经系统中,UBE3A并未与病毒结合,而是发挥了调控神经发育与突触可塑性的重要功能。如果UBE3A基因缺失,会引起一种严重的神经发育性疾病——天使综合症,该疾病患儿可表现为严重智障甚至癫痫等大脑异常放电症状,虽然生活难以自理却终身带着可爱的笑容,因此得名天使综合症。而且,近年研究者还发现如果该基因发生拷贝数增倍,则会导致自闭症发生

此外科学家还发现了一种需要保持精确剂量的蛋白,即DYRK1A基因表达的蛋白。该蛋白对神经元突触生长、树突棘和皮层发育非常重要,相关基因位于第21号染色体。当幼儿体细胞带有三条21号染色体就会出现唐氏综合症,而DYRK1A基因正位于导致唐氏综合症的染色体关键区域。此外阿兹海默病等其他神经系统疾病患者体内,也已经观察到DYRK1A基因表达的蛋白上调。相反,如果DYRK1A基因表达的蛋白功能缺失则会导致自闭症。我们团队与波士顿儿童医院合作,在自闭症病人群中筛查到该基因的的9个错义突变;并通过构建突变型Dyrk1a质粒,对其在细胞生长、皮层发育等过程中的功能进一步研究,还发现两个无义突变会导致DYRK1A蛋白的功能缺失,相关成果也发表在《Molecular Psychiatry》杂志上。

转基因食蟹猴(图片来源:仇子龙课题组)

实时动态神经网络成像:天才食蟹猴会出现吗?

药明康德:您最为重要的研究成果之一,便是在全球范围内构建了非人灵长类自闭症模型。请谈谈您进行这项实验的契机和过程。

仇子龙博士:自闭症研究与多数科学实验一样,主要的模式动物采取转基因老鼠。然而利用啮齿类来研究高级哺乳动物的神经系统功能异常,显然困难重重。于是我们希望利用食蟹猴来建立自闭症模型,建立全新动物模型的挑战很大,团队之前对于灵长目动物实验要点了解有限。所以这项研究参与的人数很多且持续五年以上,《自然》论文发表之前稿件修改了整整六轮,我们被要求不断增加对实验动物的观察内容,创下了神经科学研究所的多项纪录。

通过向相关专家了解食蟹猴的行为观察模式设计,我们进行了非常细致频繁的检测,从而确证了MeCP2转基因猴确实存在社交行为异常。它们具备简单的认知行为能力,但是复杂行为认知则有较大障碍,并且有持续转圈、偏执于某种选择、不愿与同伴玩耍等现象。实验过程中一只转基因猴意外死亡,所以通过解剖我们明确其大脑已特异性地表达了外源基因。但最让人震惊的结果,是第二代转基因猴携带的外源基因只有亲代半数不到,但自闭症样表型依然很强

▲人脑连接组高分辨率图片(图片来源:NIH资助项目“人类连接组计划”官网)

药明康德:多年来除了自闭症的基础研究,您还积极进行该疾病相关的科普和公益活动。请您结合自己和经历,谈谈对于该疾病治疗的展望。

仇子龙博士:我最初主要从事神经电调控基因表达的基础研究工作,在美国时第一次见到过瑞特综合症患者时,为她们幼小病弱的生命扼腕,所以开始接触自闭症谱系及相关神经发育疾病的研究。引发自闭症的基因突变位点众多,比研究单一分子信号通路更有挑战;另一方面自闭症在中外发病率和确诊率不断上升,成为广泛影响全球幼儿人群健康的重要疾病,所以我们更有义务从发病机制和治疗方向去解答该疾病的未解之谜。

多年来我一直积极普及该疾病相关的研究历史和基因科学知识,每年我还会参加慈善组织举办的自闭症儿童艺术活动。同时我也和不少自闭症儿童的家庭成了朋友,我更要求课题组中所有同学,都积极参加自闭症儿童康复组织的志愿者活动。现在关于自闭症的基因研究和药物研发靶点虽然有一些突破,但总体而言还缺乏安全特效的治疗手段,所以我们必须针对每个患儿制定个体康复计划,并且借鉴西方经验,在官方和社会层面给予患儿更多的关爱与尊重。这些星星的孩子同样享有教育和其他权益,而且事实证明很多人是可以被教育的。

自闭症儿童少年的绘画作品

我认为神经生物学最大的挑战,是我们仍然没有明确大脑工作的原理。目前科学家仅仅描绘了秀丽隐杆线虫的静态神经网络,然而静态网络与实时动态网络之间、单细胞原虫和灵长目的神经系统之间,都存在着天壤之别。

现在科学家已经可以通过光遗传学等手段,了解小鼠在活动中的特定神经网络状态。最近我们团队与华中科大骆清铭、龚辉教授团队合作发表的《PNAS》论文,介绍了一种基于全自动显微成像方法的全脑定位系统,在单细胞水平解析了全脑内胆碱能神经元的定位分布,和基底前脑胆碱能神经元的精细形态结构及投射图谱。乙酰胆碱能神经元通过其广泛的轴突纤维投射释放乙酰胆碱,调控皮层、海马和皮层下核团的神经活动,参与运动、睡眠以及情感与记忆等多种功能。但这些都只是起点,我希望未来能够实时观察人体进行生理活动时的大脑细胞水平电活动,了解大脑区块活跃的动态图谱,从而发现基因突变造成神经环路异常的因果关系,为那些星星的孩子们带来更多康复的希望。