修正因子如何使用
自閉症基因研究的十年
十年前，麥克威格勒首次提出自閉症基因致病理論，這無疑啟動了該領域的研究革新。
2007年4月，威格勒和他同事喬納森塞拜特發現了自閉症患者的新生突變遠高於其他正常人，新生突變不是從父母那裡遺傳得到的，而是自發產生的。他們注意到這種遠高於正常人的突變主要是 “複製數變異” ，也就是DNA複製過程中缺失或重複增加了某些片斷。威格勒之前的研究發現， “複製數變異” 在癌症病例中很常見。但是當他發現這種 “複製數變異” 竟然在自閉症患者中也很常見時，自閉症專家們感到非常意外。威格勒說： “ 在轉移和複製過程中，基因受其他因素影響而被刪除，該空缺很快被新的基因片斷所填充。 ”
這一發現很快引發了進一步的研究。針對新生突變，包括威格勒的研究小組在內，有三個團隊開始著力研究基因對自閉症疾病的貢獻。他們的方法很高效：他們並沒有研究整個基因組，而是尋求那用於編譯蛋白質的2%染色體，我們稱之為外顯子組。他們特別選定單一型的家庭來研究，也就是父母雙方以及其兄弟姐妹正常，但唯有一個孩子患自閉症。這樣就可以對照家庭成員的外顯子組，從而發現自閉症孩子的基因突變。該方法成果頗豐： 根據600多組家庭的資料，研究小組成功預測了幾百組自閉症致病基因，並確定了最後可能的六個致病基因。其中CHD8、DYRK1A、SCN2A基因很快成為了自閉症領域的研究熱點。
2014年，研究又獲取了更大量的可能的致病基因。在兩項大型的研究中，研究人員對20000多人的資料進行了分析，發現了50個高度可能的自閉症基因。威格勒的團隊在研究單一形型自閉症家庭時發現了27個基因中出現了罕見新生突變。在第二項研究中，研究人員既篩選了新生突變，也篩選了遺傳型突變，最後發現了33條基因可能會致自閉症。其中有10個可能的致病基因在這兩個研究中同時存在。
兩年前，自閉症可能致病基因的數量又迎來了猛增。統計技術有效地對比基因遺傳和基因突變資料，連同自閉症基因專案中得到的CNV資料，研究人員準確地指出了65個基因以及6個“複製數變異”是自閉症的關鍵致病因素。他們還 基本可以確定其中的28個基因是可能的致病基因。
“在過去相當長的時間裡，我們認為如果發現這些自閉症致病基因，那麼就可以取得實質性的進展。” 加利福尼亞大學精神病學副教授斯蒂芬 桑德斯說，“突然，我們已經拿到了這65個甚至更多的自閉症可能致病基因清單，這將是我們進一步研究的基礎，非常難得。”
這些研究發現無疑證明了自閉症是一種根植於生物學的疾病。桑德斯說：“越來越多證據表明，自閉症絕不是被誤認為的精神障礙，我相信全精神病學界都認可這一點。自閉症是基因缺陷引起的，這在生物學上可以理解，並且可以發現突變位置。”
然而，這僅僅是一個開始。科學家們進入了自閉症基因研究的新篇章，他們建立了現有知識的框架，使用更好的測序和統計工具、產生更多資料並建立更有效的模型。例如，他們尋找常見遺傳變體，也就是存在於大於1%的人中並且突變時可能會導致自閉症。並且他們開始研究外顯子組以外的98%的基因組區域，這些區域在最開始因為我們知之甚少是而被忽略的。
加利福尼亞大學人類基因學的教授丹尼爾 格斯溫德說：“大部分的遺傳研究進展都屬於大效應新生變異，但這僅僅是遺傳型奧秘中的一小部分。 這些進展很重要，但是目前並無法回答一些問題：
為什麼自閉症家庭會有群發性？
為什麼自閉症患者的其他近親通常也會出現自閉症的某些特徵？
基因研究的中心問題
那目前到底多少自閉症的遺傳結構被解釋了呢？據估算， 罕見突變（包括可遺傳突變和新生突變）大約能解釋10-30%的病例。 在最近大量新發現之前，僅有2-3%的自閉症患者能被已知基因突變解釋：這些突變往往屬於單一基因突變造成的罕見遺傳疾病綜合症，比如，脆性X染色體綜合症以及結節性硬化症。這些綜合症通常會帶有自閉症的核心症狀，伴有他們自身的特點以及智力障礙。
哈弗大學醫學院學副教授馬克戴利說：“ 在過去的兩代人中，至少75%的自閉症患者伴有嚴重的智力障礙及其他的精神發育異常，而且診斷也並不充分。 ”
但是最近十年，譜系量表原則導致自閉症診斷病例特別是症狀不太嚴重的新病例大量湧現，這也造成了新的挑戰。自閉症遺傳研究引導我們全力關注罕見變異，特別是那些自發產生的新生突變，認為他們才是高風險因素。但是與此同時，目前新發現的大多數病例並未發現這些高風險因素。
相反，目前發現的病例基本都伴隨著常見變異，而這種變異的致病效應通常並不大，但是總體會增加自閉症風險。研究人員嘗試透過全基因組關聯分析方法（GWAS）來識別自閉症基因，也就是對照自閉症患者和正常對照組的單核苷酸多型性來尋找基因組中更多與自閉症有關的區域。
某一個常見變異通常致病效應並不大，因此也比較難以發現，但是多項研究表明他們的確會大幅增加自閉症的風險。例如，2014年的一項研究使用統計工具，透過評估正常人群和自閉人群的常見變異來研究自閉症遺傳特性。研究人員分析了瑞典國家衛生中心提供的3000多人的資料，評估表明常見變異對普通人群造成49%的自閉症風險；而罕見突變則能夠解釋6%的風險。有科學家對此結果存疑，但是無可爭議的是常見變異、罕見變異（遺傳而得的以及自發產生的）均可能是自閉症的致病機制。
威格勒提到，他對使用全基因組關聯分析方法GWAS進行自閉症研究持懷疑態度，因為該方法關注常見變異。大多數造成痛苦並且需要昂貴治療的遺傳疾病，通常都是由個體中的罕見基因變異引起的，並不會在大多數患者中常見。
與重度自閉症相比較而言，常見基因變異更傾向於導致自閉症譜系症狀。桑德斯說， 新生突變更可能會導致智商低下和更多的認知問題。
研究人員正在致力於把現有這些碎片整合到一起：發現並且診斷罕見基因突變與嚴重疾病的關聯是非常重要的，另外我們還需要弄清楚自閉症特徵與正常人群中的精神疾病之間的聯絡。戴利說：“這個兩個目標都很重要，並且不相沖突。” 事實上，五月份發表的一篇研究文章表明， 罕見變異與常見變異會協同增加個體的患病風險。
如果考慮所有相關的基因數量，自閉症基因研究前景會變得異常複雜，據研究人員估算，多達一千個基因數量。另外很多置信度較高的自閉症基因也與其他疾病相關聯，比如智力障礙、癲癇和精神分裂症和先天性心臟病。
桑德斯說：“這種‘多對一’和‘一對多’的關係並不意外。” 也許並不存在特定唯一的自閉症基因。“反過來說，我們還沒有找到單純導致智力障礙或者精神分裂症的基因。從根本上來講，這些遺傳疾病都是相關聯的。如果說， 我們能否找到更可能導致自閉症而不是其他疾病的基因？我想答案是肯定的。” 這些更可能導致自閉症的基因會給我們提供重要的致病機理線索。桑德斯說：“現在你去醫院，你有10%的機會得到基因學上的診斷。”
更多的意想不到的發現
目前我們發現的自閉症基因暗示著多條自閉症的潛在致病機制，其中大多數承擔著下面三類功能： 維持突觸的功能或者神經元的連線；控制基因表達；以及染色質修飾 ，即組蛋白——一類結合在染色體上的蛋白質結構。染色質決定了哪些DNA片斷可讀從而影響基因的表達。
擁有典型的神經元連線的大腦會產生合乎邏輯的想法。桑德斯說：“我們對突觸的研究興趣很濃。” 基因研究中我們發現了控制基因表達的機制。CHD8和SCN2A是我們發現的兩個高置信度基因，這給我們帶來了驚喜： CHD8編譯了染色質調節機制，從而控制其他上千個基因的表達水平；SCN2A編譯了鈉通道機制，主要與小兒癲癇相關聯。
使用基因表達圖譜工具，例如BrainSpan Atlas，研究人員可以追蹤到自閉症基因在何時何處對大腦發生作用。他們發現很多基因，包括CHD8和SCN2A在內，是在妊娠中後期在腦部皮質上呈現的—這恰巧是神經發育的高峰期。
Geschwind說：“雖然目前我們並未真正搞明白，但是這些基因似乎在妊娠中期破壞了胎兒的腦部發育。這時期他們干擾了皮質層的發育機制，包括打亂轉錄過程中的細胞型別以及部位。如果皮質層不能正確地發育，這就導致神經元溝通的持續性障礙。在接下來的幾年裡，研究人員有望對神經元和迴路有更準確的理解。”
動物和細胞模型的研究也發現了類似的基因問題以及新的神經元和神經元聯結的結構問題。在細胞和動物自閉症症候群模型中，科學家可以透過藥物來至少可以修正部分問題。這就預示著自閉症的某些特徵可能最終會被證實是可醫治的，甚至自閉症成年人也可以。
馬修斯的特說：“ 相信自閉症是可以治療和重塑，而不是從出生就無法改變，這一點非常重要。 ” 馬修斯的特是加州大學的精神病學專家，領導了許多重大的自閉症基因研究課題。
同時，基因研究給病人帶來了很多便利。“如果現在你去醫院，有10%的機會獲得基因診斷，我期望能在此基礎上能為另外的5-10%給出基因診斷。” 桑德斯說，“ 我們並不能立即為病人提供治療方案，但是我們至少可以把具有相同突變的人聯絡起來。 ” 這樣我們就得到一個群體的資訊，研究人員將來可以有更好的方案，並且更好的幫助他們。
倡導團體可以說服研究人員和資助機構作更多這方面的研究，並且幫助尋找臨床實驗的研究物件。 透過基因測序我們可以對人群分類，這將大大增加研究成功的機率。 紐約西維爾自閉症研究治療中心負責人Joseph Buxbaum說，這將會非常的有效。
基因檢測還可以幫助有家庭計劃和治療方案需求的家庭來做決定。例如，對第17條染色體上的某個片段缺失（被稱為17q12）導致的自閉症和精神分裂症患者來說，服用情緒穩定劑或精神安定是有很大危險的，因為此片段的缺失也導致腎衰竭和Ⅱ型糖尿病，而上述藥物會加重相關症狀。另外，特定的變異會增加某些癌症的風險。Geschwind 說：“ 在這些情況下，知曉這些變異會非常有幫助，不僅限於自閉症的治療，還對病人有其他方面的幫助。 ”
尋找更多的可能的基因
關於如何更好的開展基因研究的辯論比比皆是，但是大多數研究人員達成共識的是繼續識別與自閉症有關的變異。桑德斯說：“ 做更多的外顯子組測序會帶來很大的好處，我們可以識別更多的基因變異，這將有望幫助病人，而且會讓我們更瞭解自閉症本身。 ”
然而大部分預示著一個人可能會患自閉症的變異，可能並不發生在基因內，而是存在於非編碼區。威格勒說：“ 如果過半的變異在編碼區以外，我們需要知道如何解讀他們。正因為如此，我們需要研究編碼區。另外，我們還需要研究這處理過程中的大量生物學資訊。 ”
非解碼區是“基因組的黑箱“，它佔了整個基因組的98%。因為進行完整基因組測序工作非常耗時耗力，大多數的研究人員關注在外顯子組的研究，直到最近，這一狀況有所改觀。目前多個研究團隊對自閉症患者進行全基因組測序，期望能在非解碼區域識別出高風險的變異。桑德斯說：“全基因組測序無疑會替代外顯子組測序。目前唯一的問題是，不確定何時能承受相關的費用，現在？兩年內還是五年？目前，還是很難回答。”
2017年3月，加拿大研究人員報道了目前最大的一套自閉症患者的全基因組資料。他們對多達5000以上的人進行全基因組測序，其中一半為自閉症患者。研究人員發現了61個基因突變，其中18個突變在以往的研究中並未能明確與自閉症相關聯。同時還發現很多的自閉症複製數變異存在於非編碼區域。
也有研究團隊使用其它工具來解釋自閉症的內在生物機制，比如基因共表達圖譜和蛋白質相互作用網路。隨著更多的自閉症突變被發現，這些工具也越來越有效。Geschwind 說：“ 我們面臨的問題是如何把現有發現的基因資料互相聯絡起來，這些網路型的工具就可能起到關鍵作用。 ”
大多數的自閉症基因研究人員側重於分子和細胞層面的影響分析。但是這裡有個重要的缺失，就是從基因到行為的關聯分析。State說：“ 最終，基因遺傳學的價值就體現在加深神經環路功能和解剖學的理解。 ”
幹細胞和腦細胞新技術的出現，為研究基因變異對人類神經原的影響提供了機會。由於對老鼠的行為研究受到限制，研究人員把研究物件轉向猴子，猴子可以學習更復雜的社互動動。威格勒說：“未來我們需要關注靈長類動物中會不會發現這些已知的精準人類基因突變。”
最近，威格勒提出更大膽的想法： 風險修正因子。高可信度的自閉症罕見突變通常也會在普通人群中發現，尤其是女性。 研究人員發現這些突變會擴大或者減弱其它基因的效應，從而導致了自閉症，所以存在兩類基因相互抵消的可能性。但是很少團隊發現過這種類似的組合。威格勒說：“人們談起自閉症就像是新增劑失調，但是卻沒有人真的關心新增劑本身。”
基於這一想法，可以試著做這個試驗：選擇一對相互獨立但具相互破壞效應的突變，然後把他們植入老鼠或者猴子；我們假定，這一對基因會造成比只有任何一個基因變異更糟糕的症狀。威格勒說：“如果最終的結果卻是正向修正呢？那就證明風險修正因子的存在。目前還沒有作過這方面的研究。” 這種本質的發現預示著一股全新的進步浪潮。這也就解釋了為什麼目前發現的突變的致病性千差萬別，只是有時會造成自閉症，這種現象我們稱之為“外顯率”。同時這也有助於研究人員開發療法。威格勒說：“如果有一天，我們在自閉症患者中發現一對基因突變擁有自我修正的效應，我會為之歡呼的！”
原文發表於2017年6月27日，原網址：
https：//spectrumnews。org/features/deep-dive/0-60-10-years/
作者：西蒙 梅金
翻譯：上海郭媽媽
翻譯校對：何博士（北大本科，北大生物資訊學博士）
編輯：上海洋洋媽
文案校對：桂林泡泡媽，桂林毛豆媽
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