出品：科學大院（ID：kexuedayuan）
作者：仇子龍（中國科學院神經科學研究所）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心中國科普博覽
在1930年代的維也納和1940年代的巴爾的摩，奧地利的阿斯伯格（H.Asperger）醫生與美國的坎納（L. Kanner）醫生不約而同地注意到一類奇怪的孩子，他們彷彿只活在自己的世界中，不願與別人交流，成為“星星的孩子”。
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，他們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，醫生們還發現自閉症兒童除了具有經典症狀外，其中少數人還具有機械記憶力超強與對數學、音樂有特殊才能的現象。
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，讓人們對這種神祕的疾病充滿了好奇。
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？
隨著醫學與科學的逐漸發展，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瞭解，科學家也在研究自閉症的過程中發現，人類許多精神症狀與基因關係密切，在研究自閉症的過程中，人類也更深刻地認識了自身。
先天生成與後天形成
最早研究自閉症的時候，坎納醫生認為，這種疾病可能是父母對孩子的過分冷漠而導致的，也正因為這樣，“自閉症是完全由後天因素導致的”這個觀點曾經流行了很長時間。
直到有研究者發現，在一個家庭中，如果一個孩子患有自閉症，其他孩子也是自閉症患者的概率大大上升；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症狀，因而懷疑MMR疫苗接種有可能導致自閉症。
此研究掀起一場軒然大波，無數家長擔心孩子安全而不敢給孩子接種MMR 疫苗，而在之後的十餘年中，疫苗與自閉症的關係始終撲朔迷離。
2010年2月，經過嚴格的調查發現，這篇文章的作者對研究的原始數據存在著選擇性選用，而且存在收受律師協會賄賂等情節，《柳葉刀》宣佈撤銷了這篇引起很大爭議的文章，韋克菲爾德也被英國吊銷了行醫執照。
美國疾病控制與預防中心在2011-2013年接連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。
儘管官方已出具權威的報告，民眾始終很難完全放心，究竟給孩子接種疫苗是否安全？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10 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，比如鐮狀細胞貧血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。
但是，當研究者在收集成百上千例自閉症患者及其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。
並發現，自閉症患者中發生的遺傳突變往往因人而異，各人之間大多不一樣，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。
恰恰在這個時候，生物學一場革命的悄悄到來，給自閉症致病基因的篩查帶來了希望。
人類基因組計劃
在世界各國科學家共同努力下，人類基因組終於在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。
那麼，在基因組測序已經變成檢測基因突變的日常手段的現在，我們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呢？
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）與帕金森病等等，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，也就是對突觸進行一系列的刺激後，突觸會發生更容易激活或更容易抑制，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。
突觸結構圖
找到了那些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（例如齧齒類或非人靈長類）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症狀。
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。
這個家族蛋白中的神經配蛋白（neuroligin）位於突觸的接收端，而神經連接蛋白（neurexin）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。
在自閉症中的遺傳篩選分析大多都是如此，研究者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。
托馬斯·聚德霍夫
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。
而這項研究首次成功地在小鼠中顯示了人類自閉症的表型，也提示人們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。由於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要要瑞特綜合徵（Rett syndrome）也與MeCP2 基因突變密切相關，95%的瑞特綜合徵患者攜帶的MeCP2 基因發生缺失功能的突變，因為瑞特綜合徵患者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）。
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。
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，大腦裡究竟發生了什麼。
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（IL-6）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。
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，能否用齧齒類來準確模擬呢？能否確定小鼠的類自閉症狀是否與人類的自閉症足夠相像呢？
人類的大腦溝回很多，整體大腦的體積與複雜程度，是齧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。
2016年1月，中國科學家運用基因工程方法，首次得到了攜帶自閉症基因MECP2的轉基因猴，並證明這些攜帶有人類自閉症基因的轉基因猴可以穩定的將自閉症基因傳至下一代。
研究中得到的轉基因自閉症猴（作者 供圖）
這些攜帶人類自閉症基因的MECP2轉基因猴表現出與人類自閉症病患非常相似的重複刻板行為，與社交行為障礙，對這些轉基因猴的腦成像研究正在開展，這些模型將為我們提供基因與大腦結構關係的第一手證據，為我們認識基因怎樣影響靈長類大腦發育與結構提供重要線索。
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。
相信在不遠的將來，神經科學在自閉症動物模型中的研究，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。
4月2日世界自閉症日，讓我們一起守護星星的孩子（圖片來源：創意畫報）
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（原文見於《科學》雜誌，中科院神經所供稿，科學大院發佈時略有刪節和修改，轉載請聯繫[email protected]）
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