自闭症与遗传的关系

大米和小米王明帮 2017-04-05

　　杜克大学姜永辉老师在2011年底提到，当时美国疾控中心（CDC）的流行病学调查数据显示，88个小孩中有1个可能是自闭症。据美国自闭症之声的Andy Shih透露，他们的合作方在韩国的流行病学调查结果显示发病率更高，38个小孩中有1个是自闭症。所以，他们找到华大基因，希望合作开展10000个样本的基因测序，寻找自闭症相关基因。该项目于2011年底启动，前期分别对33个中国和北美的核心家系（父母及自闭症子女）进行基因测序。

　　中国的项目由夏昆老师和孙中生老师牵头，夏昆老师是自闭症973项目首席科学家，该课题汇集了自闭症研究领域的专家，临床方面的专家包括姜永辉老师、邹小兵老师、赵靖平老师、罗学荣老师等。33个中国家庭，一半样本来自中南大学湘雅二医院，另一半样本由复旦大学附属儿科医院徐秀主任和王艺副院长提供。

　　该项目进展顺利，我们在70%的家庭中检测了与自闭症临床相关的基因突变，包括点突变和大的结构变异，目前文章在投稿中。在此基础上，2013年卫生部也启动了自闭症流行病学调查，由复旦大学附属儿科医院的王艺副院长来牵头，在北京、上海、广州、成都、哈尔滨、长沙等地开展。这个结果一旦出来，相信大家会对自闭症有更深刻的认识，国家也会加大投入。

　　北美的项目由姜老师和Andy协调，样本来自加拿大病童医院（The Hospital for Sick Children），主要负责人是Stephen Scherer教授。研究论文已经发表，见Am J Hum Genet 93(2)： 249-263。研究发现，在近一半的家庭中检测到了临床相关的突变，既有新发突变，也有遗传自父母的突变，既有点突变，也有大的结构性变异。

　　在跟进及协调自闭症科研项目时，除了接触到科研和临床的专家外，我也认识了一些从事自闭症公益事业的人士，包括壹基金的陈宏乐先生、姚遥先生和中国妇女发展基金会妇儿帮扶基金的郭海良先生等。此外我还接触了自闭症康复服务机构，包括深圳市自闭症研究会、深圳醒目仔自闭症康复中心等，当然也认识了一些患者家长。我发现被问到最多的是自闭症与遗传关系的问题，比如：小孩是自闭症患者，能否查出是哪个基因发生了突变；打算生二胎，风险有多高等。

　　跟科学家打交道比较多，也养成了追踪文献的习惯，我比较喜欢关注自闭症研究领域的文章。虽然也不能全信文献，但是可以提供参考。在这里，我把我了解的内容分享给大家，如有问题，我们可以再讨论。

　　自闭症与遗传因素（包括染色体和基因）的关系，这个也是困惑大家的问题，曾经有家长反驳我，说不能讲自闭症是一种遗传病。其实，我这边要分享的，或者我想强调的是，自闭症有很强的遗传背景，英文的原话是Autism with strong genetic background。

　　那么，为什么说自闭症有很强的遗传背景呢，这里面有非常多的证据，我想主要有以下六个方面的原因：

　　1同卵双胞胎共患自闭症的概率为50%－90%，高于异卵双胞胎。

　　这个是经典的证据，这个是研究某种疾病是否跟遗传相关的通用做法，即看同卵双胞胎和异卵双胞胎同患某种疾病的概率的差异。

　　双胞胎从受孕到出生，经历的环境差不多。双胞胎之间有没有差异，差异多大，科学家根据这个来判断一个疾病的遗传度到底有多大。

　　现在发现遗传度是50%到90%，简单的理解是，同卵双胞胎，一个得病，另一个也得病的概率是50-90%。为什么有一个范围呢，我仔细读了这些原始文献，找到了答案。由于这种双胞胎比较难找，较早发表的文章研究的样本较少，得出的结论是遗传度比较高，甚至高达90%；新发表的文章样本量更大，发现遗传度比原先发现的要低，甚至低至50%。

　　2自闭症患者父母生二胎患病概率显着高于正常人群

　　还有一个是现在大家比较关注的问题，如果在自闭症家庭里面有一个小孩得了自闭症，第二个小孩（二胎）得自闭症的概率明显是高于正常人群的。

　　正常人群的发病率大概为1%，但是对于自闭症家庭，据报道这种概率为8%-25%。当然，这个没有系统的文章报道，只是在一些综述性文章里面提到了这些数据。如Nat Rev Genet. 2008， 9(5)： 341-355. 和Curr Opin Genet Dev. 2012， 22(3)： 229-237.等。

　　3男女患者比例显着偏离1：1，为4：1

　　自闭症里面还有一个现象，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达4：1，这意味着自闭症可能跟性别或者性染色体有关。

　　由于男性只有一条X染色体，假设是隐性遗传模式，男婴X染色体上的基因，只需一个拷贝的基因发生遗传突变或者新发突变就会致病，女婴两个等位基因同时发生突变才会致病，概率也应该小一倍。

　　现在，科学家也找到了一些X染色体连锁的基因与自闭症有关，一个经典的例子是脆性X综合征（Fragile X Syndrome，FXS），是由于X染色体上FMR1和FMR2(也叫AFF2)基因突变所致。

　　FXS的患者，一般表现为中度到重度的智力障碍，其中有一部分患者观察到有自闭症的表型。FMR1和FMR2(也叫AFF2)基因被认为或怀疑是自闭症致病基因，现在去医院诊断自闭症，有一些医生会推荐先查一下这个基因的突变，来进行自闭症的鉴别诊断。

　　4父母生育年龄越高，风险越大

　　现在比较多的证据表明，父母生育年龄越高，孩子患自闭症的风险也越大。比较直接的证据指出，年龄越大，生殖细胞DNA发生突变的概率越大。这类证据也比较直接地支持了自闭症有很高的遗传背景这一假说。

　　5自闭症患者和父母有相似的表型，可能呈现数量性状遗传

　　当然，这些证据也只是在综述文章里面提到，可能需要深入研究。不过，在自闭症家庭里，如果仔细观察，确实能观察到些许这样的现象。这类证据可能被忽视了。

　　现在大多评估只是关注自闭症孩子本身，可能没有仔细评估其父母。这类现象，或许可以通过遗传学中的数量性状遗传来解释。数量性状，可能是多个基因控制的，每个基因的贡献比较小，这类性状也容易受到环境的影响。

　　6已发现大量自闭症临床相关突变，包括遗传突变和新发突变，点突变和结构变异

　　随着测序技术的进步，通过对大量的自闭症家庭进行全基因组或者全外显子组扫描，科学家已经发现了大量自闭症相关的基因突变，这些突变，有些是遗传自父母的突变，有些是新发的突变（de novo mutation），有些是单个碱基的突变（点突变），有些是大的、复杂的结构变异。

　　无论如何，这类是再直接不过的证据了，即支持自闭症有很强的遗传背景这一假说。总之，现在可以这么讲，自闭症有很强的遗传背景。

　　哪些基因与自闭症有明确的关系？

　　之前我们讲到，自闭症有很强的遗传背景，那么，科学家到底找到了哪些基因跟自闭症有明确的关系？Stephen Scherer教授等对此进行了非常系统地论述。详见图1。

　　图1. 自闭症遗传结构图（来自Curr Opin Genet Dev. 2012；22：229-37）

　　自闭症相关的遗传信号主要来自一下四类：自闭症相关的综合征（ASD-related syndromes），罕见的染色体结构异常（Rare Chromosomal Abnormalities），罕见的拷贝数变异（CNVs，注：与拷贝数变异相关的致病基因尚不清楚）和罕见的外显基因（Penetrant Genes，即该基因突变能与疾病表型对应起来），下面我来一一介绍。

　　第一类：自闭症相关的综合征（ASD-related syndromes）

　　这类遗传信号可以在约10%的自闭症患者里面检测到。我前面提到的脆性X染色体综合征（Fragile X Syndrome）的致病基因FMR1和FMR2(也叫AFF2)，就在这一类里面。在Brett Abrahams教授2008写在Nature Review Genetics的综述中，对此类基因进行比较全面的概述，我跟Brett也有过交流。这类基因发生突变，虽然只能在约10%自闭症患者中检测到，但是，一旦在自闭症患者中检测到了这些基因的突变，就极有可能解释自闭症的表型（见下图2，携带自闭症相关的综合征致病基因的患者，同时患自闭症的概率很高）。这也是在进行临床确诊时，进行基因检测的根据。目前有公司在开发针对单个基因或者所有自闭症相关的综合征致病基因的检测试剂盒。

　　图2. 自闭症相关的综合征，引自Nat Rev Genet. 2008， 9(5)： 341-355.

　　第二类：染色体结构异常

　　如21三体综合征（多一条21号染色单体），特纳综合征（X染色体缺失或结构异常所致），多一条X染色体，多一条Y染色体等综合征。这类信号可以在5%的自闭症患者中检测到。随着超声，无创基因诊断等技术的进步，这一类结构异常是容易在孩子出生前被检测出来的。

　　第三类：罕见的拷贝数变异

　　主要表现为亚显微水平的缺失和重复，由于缺失和重复的区域较大，涉及很多基因，具体哪个基因起作用还不是很清楚。不过这类信号的检出率也比较高，目前国际上已经在推荐使用染色体芯片技术作为自闭症（ASD）、智力障碍（ID）、发育迟缓（DD）、多发畸形（MCA）患者的一线筛查，见图3的综述。

　　我曾经咨询过北京、上海、广州、香港的开展过此类检测的医生朋友，尤其在合并多发畸形，合并癫痫的自闭症患者中，检出率大概在5-20%。

　　图3. 拷贝数变异在自闭症（ASD）、智力障碍（ID）、发育迟缓（DDR）、多发畸形（MCA）患者中的检出率。摘自Am J Hum Genet. 2010， 86(5)： 749-764.

　　第四类：罕见的外显基因突变

　　外显基因（Penetrant Genes），是指该基因突变能与疾病表型对应起来。这一类基因，大多是随着测序技术的进步和基因功能研究方法的突破，不断被报道并证实跟自闭症相关。如一系列突触相关基因NRXN1、NLGN3、NLGN4X、CNTNAP2、SHANK3被先后报道出来，这些基因的突变可能导致了突触可塑性（Synaptic plasticity）的改变，从而导致自闭症（注：神经可塑性是指，为了主动适应并对外界环境各种变化作出反应，神经系统发生结构和功能的改变，并维持一定时间，这种变化就是神经的可塑性）。第四类，即罕见外显基因信号研究进展，见下方图4，即中科院北京生科院吴金雨研究员和我于2013年写的自闭症综述文章(Genet Res (Camb)， 2013， 95(4)： 121-129.)

　　图4. 基于新一代测序发现的自闭症相关基因

　　科学家通过基因组测序发现了什么？对患者有何帮助？

　　高通量测序技术为疾病致病基因的发现带来了革命性变化。从2010年开始，对于罕见遗传疾病，科学家只需要对一个或几个家系中的少量患者和正常对照样本进行全外显子组测序，就有希望找到致病基因。

　　但是，对于神经系统疾病这类复杂疾病，前面我们讲到，由于可能是多个基因共同其作用的结果，环境因素也在其中扮演了非常重要的作用，就没有那么容易了。

　　关于神经系统疾病致病基因研究，目前有两类研究方法：

　　一是全基因关联研究，即收集一组疾病样本和一组对照样本，然后进行全基因组基因分型，看哪些基因或者位点可以跟疾病的表型强关联，即有可能是致病基因。这类方法从2005年开始就被广泛用于复杂疾病致病基因的寻找，也取得了很大的进展。不过这类方法，样本需求量大（疾病样本一般要求1000以上），成本也较高（整个项目投入在好几百万元），关联到的很多位点，并不在基因内部，也不能研究那些人群中低频的突变，而这些低频的突变极可能是有功能的、跟疾病相关的。

　　2011年开始，科学家采用了一类新的研究方法，即通过收集三口或者四口之家（父母正常，一个或者2个小孩患病）进行全外显子组测序，按照隐性遗传模式，或者新发突变的思路和方法，去找寻自闭症致病基因（Nat Genet ，2011，43(6)： 585-589）。目前，这类方法已经被用于大部分神经系统疾病的研究，也取得了很多的进展。我觉得，这其中的一个优势是只需要对少部分的家庭进行全基因组测序，科学家的投入也少了，另一个优势是可以直接使这个家庭受益，无论我们有没有找到跟疾病相关的突变。

　　2011年开始，华大基因联合加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Jonathan Sebat教授通过对10对同卵双生的自闭症患者及其正常父母进行了全基因组测序，并没有找到临床相关的突变。

　　我们发现每个后代中平均包含58个新发突变，新发突变与父亲的年龄相关（其他的文章也看到了这一点），不过这类新发突变在基因组中表现出高度的非随机性，一些与自闭症相关的基因发生新发突变的可能性是要高于其他的基因（详见：Cell 2012， 151(7)： 1431-1442）。

　　对于那些没有神经系统疾病家族史、生育年龄正常的家庭，如果孩子患有自闭症，很可能是偶然性因素作用的结果。

　　2013年，我们和美国自闭症之声（Autism Speaks）在《美国人类遗传学杂志》上发表了一万份自闭症基因组测序项目（Autism Genome 10K）的首期研究结果，通过对32个加拿大家庭（自闭症患者和父母）进行全基因组测序，在16个自闭症家庭中，我们找到了自闭症临床相关的基因突变。其中6个家庭检测到了新发突变，10个家庭检测到了遗传突变（X染色体或者常染色体遗传），详见Am J Hum Genet， 2013， 93(2)： 249-263。

　　对于这16个找到了临床相关突变的家庭，我们提供了直接的帮助，比如说，G号家系（图5），通过全基因组测序，找到了致病基因AFF2。

　　通过系统的临床评估，我们还发现，该家系爸爸有抑郁症，并且父亲在婴儿时期有癫痫的症状，基因检测结果发现爸爸是KCNQ2突变的携带者（KCNQ2是癫痫的一个致病基因）。妈妈有阅读障碍（自己说的），同时有哮喘和高血压，基因检测结果发现妈妈是AFF2基因突变的携带者（AFF2是脆性X染色体综合征的致病基因）。

　　这个患者可以参考脆性X染色体综合征药物STX209的临床实验，该药物被报道有疗效，见Sci Transl Med 2012， 4(152)：152ra127或者关注国际药物临床实验的官方网站www.clinicaltrials.gov（关注相关研究的最新进展、如何加入等）。

　　图5，G号家系（摘自Am J Hum Genet， 2013， 93(2)： 249-263）-02，爸爸，婴儿期有癫痫症状，-01，妈妈有阅读困难（自己说，未确诊）、哮喘和高血压等

　　还有一个经典例子跟大家分享，这是一篇2012年发表在Science杂志上的文章，见Science， 2012， 338(6105)： 394-397，作者通过对558和18号近亲结婚家系中的自闭症合并癫痫、智力障碍、不正常脑电图患者进行全外显子组测序，迅速找到了BCKDK基因的失活突变，并在1453号家系中进行了验证，也找到了BCKDK基因的不同突变（图6）。

　　接着在小鼠身上进行了试验。结果发现，当BCKDK失活时，这些啮齿动物会出现诸如震颤、癫痫发作及后肢抱握瘫软等神经系统异常。进一步研究发现BCKDK失活会导致支链氨基酸（BCAAs）的减少，通过给那些BCKDK缺乏的小鼠提供富含支链氨基酸就能够逆转那些异常中的某些情况。

　　对于患者，富含BCAAs的饮食可帮助将血浆BCAA水平正常化。这可能是一种罕见但可治疗的自闭症形式。