孤独症谱系障碍发病机制研究进展

Research Progress on the Pathogenesis of Autism Spectrum Disorder

摘要: 孤独症谱系障碍(Autism spectrum disorder, ASD)是一组异质性的神经发育疾病，其特征是早发性社交困难以及异常受限、重复的行为和兴趣。全球人口中自闭症谱系障碍(ASD)的患病率约为1%，但具体数据会因地区和人群而异。ASD对男性的影响多于女性个体，并且合并症很常见(70%患有并发疾病)。近年来，ASD的患病率持续上升，但其发病机制尚未明确。本文综合以往文献资料，从免疫、肠道菌群、生物分子、信号通路及基因靶点等五个方面对ASD的发病机制进行了阐述。

Abstract: Autism constitutes a diverse set of neurodevelopmental disorders, marked by early social impairments and unusually narrow, repetitive behaviors and interests. The prevalence of autism spectrum disorder (ASD) in the global population is about 1%, but the number is specific. It varies by region and population. ASD affects more men than individual women, and comorbidities are common (70% have intercurrent conditions). Recently, the prevalence of ASD has been rising annually, yet its pathogenesis remains elusive. Combined with the previous literature, the pathogenesis was summarized into five aspects: immunity, intestinal flora, biomolecules, signaling pathways and gene targets.

1. 前言

目前，孤独症谱系障碍(Autism spectrum disorder, ASD)已经从一种狭义的罕见儿童期发病疾病发展成为一种广为宣传、倡导和研究的终身疾病，被认为是相当普遍且非常异质的。ASD属于神经发育障碍，其核心特征被描述为社交沟通障碍、重复行为及不寻常的感觉运动模式，这些特征自首次描述以来并未发生实质性改变。最近的流行病学数据分析显示，ASD的患病率呈逐年上升趋势，但ASD的病因及发病机制尚不清楚[1] [2]。根据既往研究，ASD发病机制大致如下所述。

2. 遗传与表观遗传风险因素

(1) 15q11-13区域

15q11-q13区域极为复杂，是基因组中异常频发的重要区域，与智力障碍、强迫症等多种神经精神疾病紧密相关。15q11-q13区域由父系表达基因的大近端结构域(2 Mb)、较小的母系表达结构域(MED: ~500 kb)和一个明显双等位基因表达的大远端区域(2 Mb)组成。个体若存在额外的15q11-13 (dup15)或等双着丝粒15号染色体[idic(15)]的倒置重复，将导致15q11-q13区域重复，进而表现出孤独症特征。此外，ASD人群中母系遗传的15q11-13重复的发生率约为1%~3%，这被认为是ASD中最常见的拷贝数变异(CNV)，但具体发病机制尚不明确[3]。

(2) SHANK2基因

现有遗传学研究表明，大脑突触结构和功能的异常可能是自闭症谱系障碍(ASD)的重要致病机制。SH3 and multiple ankyrin repeat domains protein 2 (SHANK2)是支架蛋白SHANKs家族的成员，主要作用于大脑突触后密集区，具有促进突触的形成和维持兴奋性或抑制性突触平衡并能结合其他功能蛋白的重要作用。流行病学研究发现SHANK2基因的突变与ASD发病存在显著的关联性；动物实验实证结果证实在敲除SHANK2后小鼠表现为多动、焦虑、行为重复和交流障碍等ASD样表征，进一步证明SHANK2与ASD密切相关，SHANK2可能是中国儿童ASD的易感基因；位于SHANK2基因的rs76717360、rs11236697和rs74336682可能是儿童ASD发病的遗传位点；超显性和显性模型下SHANK2的rs76717360位点多态性与ASD发病存在显著性关联；单体型包含rs11236697(C)或者rs74336682(G)可能会增高患ASD的风险；这9个位点组成的单体型C-T-G-G-A-T-T-T-G患ASD的风险显著性增高[4]。

(3) microRNAs

microRNAs (miRNAs)是一种单链非编码RNA，具有20~22个核苷酸，通常在转录后水平上抑制其靶mRNA的表达。miRNAs广泛参与生物学过程，对大脑的发育及稳态维持至关重要。现有研究结果证实，miRNAs与ASD有关，因为它们针对ASD的几个关键基因。ASD患者的脑组织、血液及唾液中，部分miRNA的表达水平与正常对照组存在差异，尤其是外周血或唾液中的miRNA，有望成为ASD的潜在诊断标志物[5]。

(4) 色结构域解旋酶结构域8 (CHD8)

CHD8基因是ASD中突变频率最高、渗透性最强的基因之一，其突变与ASD表现、大头畸形等临床表型密切相关。CHD8基因突变的个体表现出ASD、大头畸形和面部畸形的主要症状。高通量单细胞RNA测序(sc-RNAseq)、CRISPR/Cas9编辑和人类器官的出现在体内和体外确定CHD8突变对脑发育早期单个细胞类型的影响方面提供可能。CHD8突变的确切性质被认为在细胞和机体表型方面起着重要作用。Hurley等人推断，CHD8突变可能编码功能丧失(单倍体不足)、亚型或显性负性对蛋白质功能的影响。对小鼠的CHD8杂合子、轻度及重度CHD8亚型等位基因进行分析，发现CHD8等位基因的缺失，揭示了脑发育对CHD8剂量的高度敏感性。因此，不同祖细胞群体对基因转录和大脑生长的非线性效应展现出不同的敏感性。CHD8基因型的不确定性和不同细胞群对CHD8基因剂量的不同敏感性可以部分解释体内扰动序列如何使CHD8在少突胶质细胞谱系的发育中发挥作用，而不是在兴奋/抑制系统中起作用[6]。

(5) 基因集蛋白质(FMRP)靶点

既往研究结果证实FMRP与脆性X综合征、ASD和认知发展有关。FMRP靶向转录物可能参与了精神疾病的病因学的一种遗传共享机制。这些发现可以为精神障碍的更普遍的机制指明方向，使交叉障碍研究成为未来科学研究的一个重要组成部分[7]。

(6) DNA甲基化

表观遗传修饰在基因–环境相互作用过程中起了重要作用，DNA甲基化作是最常见和研究最多的表观遗传修饰，是指在DNA甲基转移酶催化下，将甲基转移到特定的碱基上。DNA甲基化状态的改变能够影响染色质结构、DNA稳定性、DNA与蛋白相互作用，从而能够调控基因表达。关于ASD的DNA甲基化异常研究包括单基因关联研究以及全基因组关联研究。涉及基因包括SHANK3基因、催产素受体(OXTR)基因、甲基结合蛋白2 (MECP2)基因、RELN基因等。Li等发现，ASD患者SHANK3基因甲基化水平显著升高[8]。Nagarajan等的研究发现孤独症患者MECP2基因启动子区呈现高甲基化状态，这与MeCP2蛋白表达量的降低呈现负相关性。这一发现与MeCP2基因在孤独症中的作用相一致，该基因不仅在脑内表达，还与神经元发育和突触形成密切相关。Zhubi等研究发现孤独症患者RELN基因、GAD1基因的启动子区域DNA甲基化水平显著高于正常对照，且患者组MeCP2蛋白与RELN基因、GAD1基因结合能力更强[9]。上述实证结果证实ASD患者存在某些基因异常的DNA甲基化状态。表观遗传修饰受到环境的影响，DNA甲基化状态在发育过程中处于动态变化过程中，对于研究发现的ASD患者DNA甲基化差异究竟是疾病的原因还是症状导致的结果仍难以做出推断。

3. 分子与突触水平的病理生理学

3.1. 生物分子因素

(1) 胰岛素样生长因子(Insulin-like growth factor 1, IGF-1)

IGF-1促进对现有脑细胞的保护性监视，以防止神经元紊乱。研究表明，新生儿体内IGF-1水平的提高与改善运动和行为神经发育相关，可能降低神经系统缺陷的发生率，包括自闭症谱系障碍(ASD)的风险。ASD的病因与IGF1/IGFR/IRS1/PI3K/AKT/mTOR细胞内信号通路紊乱有关，ASD的连接障碍特征可能与IGF-1在新生儿神经发生和骨髓发育中作用减弱有关，这种减弱可能是PI3K/AKT通路障碍或IGF-1储存不足所导致的。在新生儿发育早期，提高生物性IGF的主要目的是防止在脑神经回路形成的关键时期(新生儿阶段)出现连接障碍，尤其是长程的前后连接错误[10]。多种原因(例如早产)可导致血清IGF-1水平下降，进而影响新神经元的髓鞘发育。特别是生后第一年，由于新神经束的活跃形成，可能会发生无法修复的大脑接线错误[11]。

(2) 催产素(Oxytocin, OXT)和精氨酸加压素(Vasopressin, AVP)

催产素(OXT)和精氨酸加压素(AVP)在社交和依恋行为中起着重要的调节作用，此外，邻近的催产素–加压素基因区域的变异与ASD诊断和内表型有关。尽管这些基因在全基因组关联研究中没有出现，但有证据支持这样一个假设，即这些受体及其多态性广泛参与了社会行为的调控，以及调节引起ASD病因的神经和生理途径[12]。

(3) 脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF)

BDNF是神经营养因子家族成员之一，广泛分布在中枢神经系统和感觉、运动神经元，尤其是大脑皮质和海马。BDNF与特异性受体酪氨酸激酶B (TrkB)结合，激活细胞内信号转导，促进多种神经元的存活和生长发育，影响突触、树突和轴突的生长，维持神经元正常生理功能起关键作用，促进神经元损伤后修复再生[13]。BDNF还参与脑的可塑性相关过程，促进突触可塑性，与学习和记忆密切相关。Perry等[14]的研究以及后续的荟萃分析表明，孤独症儿童的血清BDNF水平显著高于正常儿童，其中轻度孤独症儿童的BDNF水平尤其突出。孤独症的相关研究[15] [16]显示，该病与海马形态异常、细胞凋亡等存在一定关联。海马锥体细胞发生萎缩，神经元再生障碍均可导致异常行为学表现。孤独症动物模型的海马出现异常状态，孤独症模型鼠海马CAl区锥体神经元细胞排列稀疏，形态正常细胞数量减少，部分细胞核固缩，染色深，结构不清，胞浆嗜酸性变，排列杂乱，形态不一。孤独症的发病可能与海马CA1区锥体细胞脑源性神经营养因子(BDNF)表达水平以及锥体神经细胞的凋亡有关[17]。

(4) 叶酸

根据临床研究，适量的叶酸补充对于预防胎儿神经管发育畸形具有显著的临床意义。特别是在孕早期，叶酸水平的不足已被证实是新生儿神经管缺陷的一个重要危险因素[18]。

(5) 体内类固醇激素水平

个体内在激素状态与ASD存在关联，尤其是胎儿时期睾丸激素水平的升高，可能加剧ASD的发病风险。有研究发现孤独症患儿存在类固醇激素水平异常[19]，提示类固醇激素与孤独症的发病可能存在关联。雌二醇是雌激素的主要成分，是重要的神经类固醇激素，已有越来越多的研究从不同角度提示雌激素在脑和神经发育过程中的作用。母亲低雌激素水平可能与孤独症发生有关。雌激素水平异常可能与孤独症的神经连接不良有密切关联性，除此之外，雌激素还能增加脑源性神经营养因子(BDNF) [20]、催产素受体和乙酰胆碱受体的表达[21]，而后三者均与孤独症的发病亦有密切关系[22] [23]。

(6) 维生素D水平因素

ASD患儿血清维生素D水平较健康儿童明显低，与ASD多种核心症状之间存在显著的相关关系[24]。口服补充维生素D可显著提高循环中IGF-1的水平。妊娠中期缺乏维生素D的孕妇所生ASD患儿的概率是维生素D水平正常的孕妇的两倍。既往有ASD患儿生育史的孕妇，孕期服用维生素D补充剂后，其后代ASD患病率显著降低，由20%降至5% [25]-[27]。

3.2. 信号通路因素

(1) GABA信号通路

ASD患儿存在多种神经递质异常，主要集中于谷氨酸(Glutamic acid, Glu)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)、多巴胺、5-羟色胺和催产素等。Glu能神经递质和GABA能神经递质失衡与ASD的发病密切相关。丙戊酸(valproic acid, VPA)作为去乙酰酶抑制剂，其宫内暴露会增加大鼠后代ASD症状的风险，这归因于突触前和突触后GABA信号水平的下降，进而引发神经元兴奋与抑制功能的失衡。少数ASD患儿中发现了一些单基因的突变，例如Neuroligin3基因[28] [29]和En2基因[30]，二者敲除小鼠均能表现出孤独症样行为，而这些基因的作用机制均与GABA信号改变相关。El-Ansary等[31] [32]对20名3至5岁ASD患儿与正常对照儿童的血清GABA、Glu及GABA/Glu水平进行研究，结果显示ASD患儿的这些指标显著升高，表明其脑内Glu和GABA传递功能状态异常。研究人员利用尸检、发射断层扫描(ECT)及磁共振波谱(MRS)等技术，对ASD患者脑组织中的GABA信号水平及功能进行研究，结果一致显示ASD患者脑内GABA信号存在异常。ASD患者的尸检结果表明，ASD患者脑内GABA受体水平改变：扣带回皮层、海马中、小脑内、额中回等多个部位发现异常。GABA信号通路异常在ASD的发病机制中起重要作用，但其具体作用机制及作用亚群尚不明确。

(2) Notch信号通路

Notch基因在1919年于果蝇体内被发现，由于其部分功能缺失导致果蝇翅膀边缘形成缺口(Notch)而命名。Notch信号通路多方面调控个体神经系统发育。胚胎发育阶段，Notch信号通路确保神经元与神经胶质细胞按比例增殖，从而维持神经系统的正常发育[33]。ASDs患儿脑发育过度，头围偏大，可能与前额叶皮质神经元数量显著增加相关[34]。ASDs患儿皮质投射神经元呈现出异常的层流定位，这可能与ASDs 发病存在联系[35]。神经元数量异常及皮质投射神经元定位异常均与神经干细胞分化、迁移等发育过程紧密相关[36]。Notch信号通路对神经干细胞分化的调控，被广泛认为是神经系统疾病病因分析及治疗方案的关键要素之一，而神经干细胞的分化、自我更新能力异常与包括ASDs在内的多种神经系统疾病相关[37]。

(3) WNT/β-catenin通路

生物节律是与环境相互作用的复杂系统，控制着包括大脑在内的多种生理途径发展和行为过程。最近的研究结果表明，核心时钟神经发育信号的解除调控与ASD的临床表现有关。WNT/β-catenin通路是发展性认知障碍的主要通路之一。生物钟在某些组织中起着主要作用，它通过驱动生理和代谢功能相关基因的昼夜表达。ASD患者的CRs异常可调节能量代谢的变化。在ASD中，WNT/β-catenin的典型通路增加。WNT/β-catenin通路的上调影响了ASD中代谢酶的能量代谢模式，促使有氧糖酵解过程加剧，进而生成乳酸。这解释了在孤独症患者中观察到的葡萄糖高代谢。WNT通路由CRs驱动，在能量代谢变化的昼夜节律机制下运作。CRs直接参与调节WNT/β-catenin途径参与细胞重编程的分子途径，引起细胞能量代谢异常导致ASD [38]。WNT信号通路同样是进化高度保守的信号通路，其在细胞增殖、分化以及个体发育等过程中都起着重要的调控作用[39]。还有相关实验提出[40] WNT通路可通过抑制糖原合成酶激酶-3β (glycogen synthasekinase-3β, GSK-3β)的磷酸化效应，而使WNT通路的重要因子β-catenin积聚而活化，同时抑制GSK-3β也会导致胞内域(intracellular Notch, NICD)的积聚和Notch2的磷酸化，最终使Notch信号活化。Notch与WNT信号传导系统在ASDs中形成crosstalk，两种信号通路联系紧密、作用交互。ASDs可能存在Notch信号通路传导障碍，同时深入探究ASDs中WNT信号通路与Notch信号通路间的相互作用机制，也将为揭示ASDs发病机制提供一个新的思路。

(4) SIRT1/PGC-1α信号通路

线粒体氧化应激影响ASD患儿，SIRT1/PGC-1α信号通路在ASD患者中，SIRT1/PGC-1α轴基因表达在转录和翻译水平降低；ASD LCLs中SIRT1/PGC-1α轴基因的表达下调，Cyto C和DIABLO从线粒体释放到胞质；ASD促进LCLs细胞凋亡；ASDLCLs线粒体胞内活性氧增高；胞内活性氧导致ASD LCLs线粒体呼吸链的损伤；过表达的过氧化物酶增殖子激活的γ受体辅激活因子1α (PGC-1α)上调SIRT1/PGC-1α轴基因的表达，减少Cyto C和DIABLO的产生；转染PGC-1α过表达载体的ASD LCLs胞内活性氧和线粒体胞内活性氧显著减少；过氧化物酶增殖子激活的γ受体辅激活因子1α (PGC-1α)的过表达抑制ASD LCLs胞内活性氧引起的线粒体呼吸链的损伤[41]。

(5) 痘苗相关激酶相关通路

痘苗相关激酶(Vaccinia related kinases, VRKs)作为多因子丝氨酸/苏氨酸激酶，在细胞信号传导、周期进程调控、凋亡机制及神经元发育分化中扮演关键角色。尽管VRK3在人类自闭症谱系障碍(ASD)中展现出潜在病因价值，但其具体的神经功能机制仍待深入探究。

4. 系统水平的功能失调(整合免疫系统、脑–肠轴及神经环路)

4.1. 免疫系统失调

在过去十年中，免疫功能障碍的发病机制已经出现并得到许多独立研究的支持。免疫异常在ASD的发病中起着重要的作用，包括细胞因子平衡失调、T细胞和B细胞异常、自然杀伤细胞功能改变、免疫抑制因子生成减少和功能减弱、自身抗体生成等，另外，小胶质细胞在ASD病理生理学中的作用是主要研究进展之一[43]。孤独症的发生可能是在基因易感的基础上，在l~3岁免疫建立的关键时期，由环境因素触发，引起免疫介导的炎症，改变胃肠道和血脑屏障的通透性，导致慢性的中枢神经系统炎症，从而影响神经形成、迁移及突触的形成。有实验表明，在孤独症儿童的母亲血清中可识别出产前表达的脑抗原的特异性血清抗体，这些自身抗体可以穿过胎盘并改变胎儿大脑发育[44] [45]。这些ASD特异性母体抗体的蛋白靶抗原最近被鉴定出来，正是通过母体抗体识别这些蛋白的各种组合，赋予了母体抗体相关(MAR) ASD的特异性[46]。在23%的ASD儿童母亲中对这些蛋白具有抗体反应性，而在正常发育儿童母亲中具有抗体反应者不足1%，因此免疫系统失调在ASD患者及其家庭成员中经常被描述[42]。

4.2. 肠道菌群失调

肠道被称为人的“第二大脑”或“肠脑”。肠道与大脑之间通过脑–肠轴这一双向通路相互作用[47]，影响中枢神经系统，对人的情感、认知和行为产生影响[48]。肠道菌群不仅会调节机体的生理功能，而且会影响心理和行为表现。其作用机制可能是通过神经系统、血液系统和内分泌系统，并且它们之间相互作用构成了菌群–肠道–大脑轴。研究显示，自闭症谱系障碍(ASD)儿童的肠道菌群存在显著变化，包括酵母菌、梭菌属和脱硫弧菌数量的增加，以及双歧杆菌数量的减少。这些菌群的改变可能与ASD的发生和发展有重要的关联。母亲妊娠期间及产后的不同环境因素的暴露都可能影响ASD患儿肠道内菌群的组成。肠道菌群的改变会引起相关代谢物质的改变，影响肠道通透性，导致相关代谢产物进入血液，通过脑–肠轴对中枢神经系统产生影响。

5. 小结

ASD风险基因众多，每一个变异都会在分子和细胞水平上产生不同程度的变化，这些变化会在早期大脑发育及以后的过程中汇聚成微电路和宏电路的形成。大脑发育成熟依赖于神经、免疫及细胞间复杂相互作用的微妙平衡，这一平衡构成了精神健康的重要基石。ASD是一种与神经元发展密切相关的神经元突触疾病，但其发病机制仍需进一步研究，深入研究ASD的病因和发病机制，不仅有助于全面了解ASD，而且有助于合理设计药物和开发更有效、及时的治疗方法。例如，研究发现，非典型精神药物、抗炎和抗氧化药物、激素药物等多种药物在临床试验中展现出了显著的疗效。

基金项目

2024YXNS035济宁市重点研发计划项目，儿童癫痫合并认知障碍的预测模型的建立与验证。

NOTES

^*通讯作者。