自闭症的生物化学系列
导言
Leo Kanner 图片出处：维基百科
自闭症(autism)，又称孤独症，是一类严重影响青少年身心健康的精神性疾病。这种疾病在1946年由美国医生Leo Kanner首先系统阐述，表现为社交沟通障碍、无法正常与人交流、语言发育迟缓或障碍并带有重复刻板行为[1]。一部分自闭症患者具备超乎常人的能力，例如机械记忆、数学、绘画、音乐等。在诸多影视作品如《雨人》中，呆板但有超常数学天才的哥哥就是一个经典的自闭症病人形象。这种疾病严重影响青少年的正常生长发育，患者常常无法进入正常的教育环境接受教育，以及因为古怪刻板行为遭受社会误解等。
近年来，世界各国对自闭症的重视程度急剧上升，医学界不断更新自闭症类的诊断标准，如The Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS)、The Autism Diagnostic Interview-Revised (ADI-R)。遗憾的是，和诸多精神类疾病，如精神分裂、抑郁症及双向情感障碍等一样，对自闭症的诊断目前还只能依赖于临床医生的主观判断。尽管已经有较确凿的证据表明自闭症与遗传因素关系十分密切，遗传学家对自闭症数十年的研究发现，与自闭症有关的基因多达上百个，说明自闭症并不是单一基因致病的疾病。在对自闭症相关基因的研究中，有几类与自闭症关系密切的基因及其编码蛋白最初都是由生物化学家首先发现的，这些生物化学家进而从生物化学逐渐过渡到神经生物学研究领域，为自闭症的神经生物学研究做出了重要贡献。
天使综合征与Ube3a?基因
天使综合征，又称安格曼综合征(Angelman syndrome)，是一种从儿童时期发病的严重发育性疾病。天使综合征的发病率约为1/15 000，患者有癫痫、发育迟缓、语言发育障碍及运动障碍等严重的症状，但是常常面露笑容，显示出天使般的神态，因此被称为天使综合征。1965年英国儿科医生Harry??Angelman首先发现并系统性地描述了这种疾病，这种疾病因此得名。科研工作者和医生对这种严重的疾病的病因进行了数十年的研究，发现仿佛是遗传性的病因，但是好像又不遵循经典的孟德尔定律的遗传法则。研究者发现，只有患儿携带从母亲那里遗传来的基因突变的时候，才会患病，这究竟是为什么呢？
时光又回到了“自闭症的生物化学”的第一篇[1]中提到的发现MeCP2的1993年，当时美国国立肿瘤研究所的Peter Howley博士的实验室发现了一种人类乳头瘤病毒发病的奇特机制[2,3]。当乳头瘤病毒HPV-16感染人类宿主细胞后，病毒携带的蛋白质E6会招募宿主本身的一种蛋白质——E6相关蛋白(E6-associated protein, E6AP)，进而将重要的抑癌蛋白p53进行降解，宿主细胞因而失去抵抗能力，被病毒感染以后发生异常扩增而导致疾病。这种病毒依赖“内奸”来关闭宿主防御能力的机制真是聪明极了，一定是病毒与宿主在漫长进化过程中相互斗争的成果。
研究者将这个宿主内的“内奸”基因克隆出来，将其命名为E6AP基因。接下来，在贝勒医学院从事医学遗传学研究的Arthur Beaudet博士发现这个基因所属的染色体区段很可能与天使综合征有关，而且，这个基因位于15号染色体的长臂上(15q11-13)，这个区段有个非常独特的特性，即位于这个区段上的基因，是被做了特殊印记的，生物学上称作“基因印刻(gene imprinting)”[4]。研究者接着用人类遗传学的研究方法发现E6AP基因的突变确实是导致天使综合征的罪魁祸首[5,6]。
让我们在下一小节介绍基因印刻，先说说这个基因编码的蛋白质。E6AP基因编码的蛋白质也非常重要，属于细胞的回收站——泛素化蛋白酶体的核心组分之一。
细胞的蛋白质回收工厂——蛋白酶体
生物体内的蛋白质主要通过两种途径发生降解：泛素-蛋白酶体途径和自噬-溶酶体途径。蛋白质降解不仅仅是垃圾处理(清理失活的蛋白质)，并且也是细胞进行正常生理活动所需要的，比如细胞周期的进行与免疫应答等等。
泛素(ubiquitin)是一种广泛存在于真核生物中的小分子蛋白质，只含有76个氨基酸残基，在进化中高度保守。在泛素-蛋白酶体途径中，存在3种主要的酶——E1、E2和E3。E1与E2负责将泛素蛋白进行活化与转移准备，而E3(泛素连接酶)则负责将活化的泛素连接到即将被降解的蛋白质上(图1)[7]。这样被标记好的蛋白质就被送到细胞的蛋白质回收再利用工厂，进行分解反应。人体细胞中存在2种E1、至少25种E2、以及超过300种E3，泛素化修饰过程中对底物蛋白质的特异性识别就是由众多的E3完成的。
2013102394049409这个“内奸”基因E6AP编码的蛋白质，就是一个重要的E3蛋白，因此E6AP又得到了另外一个名字——泛素蛋白连接酶3A(Ubiqutin-protein ligase 3A, Ube3a)。这个“内奸”基因编码的蛋白质在没有外敌入侵的时候，老老实实并不做坏事；但是在病毒入侵的时候，却帮助病毒干掉了细胞的守卫——抑癌基因p53，导致机体的细胞异常增殖而产生肿瘤。这个重要的机制与天使综合征的产生是否有关系呢？上文提到的贝勒医学院的Beaudet博士团队在1998年发现，Ube3a基因的突变也确实可以导致在神经元中积累过多的p53蛋白[8]。
那么在神经元中，Ube3a是否也行使着类似的功能，与某些入侵的外敌里应外合对p53蛋白进行降解？在神经元中，这个过程仿佛是正常生理活动所需要的，因为Ube3a的突变可导致过多的p53蛋白堆积而导致疾病。Ube3a蛋白在神经元中的具体功能是神经生物学的一个悬而未决的问题，正在被世界各国科学家们研究着。
神秘的基因印刻与过犹不及
基因印刻是生物学家在20世纪80年代发现的一种奇特的现象。在有性繁殖的高等生物中，虽然父母共同对子代贡献50%的遗传物质，但是这看上去对等的遗传物质对子代的贡献却是不同的。有一些基因在子代中的活性取决于它们是来自父本还是母本。比如这个E6AP/Ube3a基因所在的15q11-13染色体区段就是著名的基因印刻区域。子代中来自母本的该染色体区段活性正常，但是来自于父本的染色体区段则被沉默，因此如果来自母本的这个染色体区段上的基因带有突变，就会导致机体丧失该基因的正常功能。值得一提的是，目前在人类基因组中有近200个被印刻的基因，且大多数的基因印刻发生在大脑中，就是说被印刻的基因的父本和母本拷贝在其他组织中都是活性等同的，只有在神经系统中才会发生父本或母本被特异性沉默的现象。
天使综合征的患病儿童绝大部分都是因为机体中来自母本的Ube3a基因发生了突变，因此不能维持Ube3a的正常功能，从而导致了疾病。那么来自父本的Ube3a基因为什么要被沉默呢？难道是细胞中的Ube3a蛋白水平需要被维持在一定水平？1997~1998年，一系列的遗传学研究发现，包括Ube3a基因在内的15q11-13基因印刻区段(而且是具有活性的母本拷贝)如果发生染色体的倍增，则会导致患者出现自闭症的症状[9,10]。这说明Ube3a的过多会对机体产生过犹不及的破坏作用。
我们在“自闭症的生物化学”的第一篇[1]中就知道MeCP2蛋白对于大脑的功能也是过犹不及的。MeCP2蛋白编码基因发生突变会导致瑞特综合征，而倍增则直接导致自闭症。从Ube3a对大脑的作用我们又看到了类似的现象：神经系统的功能往往需要准确的蛋白质水平才能维持，过多或过少都不行。这与神经系统发挥功能的基本原理有关，神经系统中神经元之间的通讯单元是突触，突触的功能依靠数百种蛋白质进行维持，蛋白质过多或过少都会影响突触的功能。我们在“自闭症的生物化学”的下一篇就会谈及突触蛋白质对自闭症的直接影响。
唤醒沉默的基因
面对罹患天使综合征的孩子们可爱的笑脸，无数的医生和科学家都在试图找到能够改善这些患者各种严重症状的良药。他们体内来自母亲的Ube3a基因发生了突变，而来自父亲的Ube3a基因则被生物体自身的机制沉默着。我们是否能再一次逆转基因决定的命运，唤醒沉睡的父本Ube3a基因呢？
2011年，在美国北卡莱罗那大学教堂山分校Philpot教授实验室从事博士后研究工作的黄宪松博士(来自中国台湾)从事了数年的研究工作后终于看到了曙光。研究者将Ube3a基因被特异性剔除的小鼠作为研究天使综合征的动物模型，这些缺失了Ube3a基因的小鼠会发生癫痫、学习与记忆障碍、运动障碍等与患天使综合征的小朋友类似的一系列症状。黄宪松博士将从缺失了母本Ube3a基因的小鼠中取出的神经元养在培养皿中，用多达2 306种的化合物进行筛选，观察哪种化合物能够打开父本的Ube3a基因。
说到这，我们先简单地说说父本的Ube3a基因被沉默的生物学机制是什么。在基因组上基因被沉默的最普遍的方式是DNA区段被甲基化修饰，比如我们第一篇文章[1]介绍的MeCP2，就是一个用结合甲基化DNA的方法来沉默目标基因的蛋白质。因此研究者一开始以为父本的Ube3a也是被甲基化的机制进行沉默的。但是当研究深入进行以后，研究者却发现了完全不同的方法。在染色体的15q11-13区段与父本Ube3a基因反向的位点会表达一个非编码RNA，这个非编码RNA会一直产生覆盖父本Ube3a基因的部分，导致父本的Ube3a基因无法正常表达。这种反义RNA介导的基因沉默机制就是生物体用来在大脑中关闭父本Ube3a基因表达的方法(图2)[11]。
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图2? 天使综合征患者的Ube3a基因
黄宪松博士进行了2 000多种化合物的筛选之后，惊喜地发现，有一类化合物居然可以打开沉默的父本Ube3a基因[12]！这类化合物叫做DNA拓扑异构酶抑制剂，是20世纪90年代上市的一系列抗癌药。DNA拓扑异构酶是肿瘤细胞在快速增殖的过程中必需的一些因子，因此拓扑异构酶的抑制剂便被发现有抗癌功能。但是如同其他的抗癌剂一样，拓扑异构酶抑制剂对人体也会产生恶心、呕吐、免疫系统受损等严重的副作用。
黄宪松博士首先发现一系列的拓扑异构酶抑制剂可以成功地在培养皿中打开神经元中被沉默的父本Ube3a基因，而且原理就是这些拓扑异构酶的抑制剂可以阻断那个抑制了父本Ube3a基因表达的反义非编码RNA的产生。黄博士接下来用拓扑异构酶抑制剂对缺失了母本Ube3a基因的小鼠进行了实验。他们发现用静脉注射和脑内直接定点注射的方法都可以有效地打开被沉默的父本Ube3a基因，而且产生的Ube3a蛋白具有正常功能。科学家们正在研究是否可以用拓扑异构酶抑制剂来缓解Ube3a基因敲除小鼠的各种类人类天使综合征的症状。因为拓扑异构酶抑制剂本身对人体的毒性也很大，因此尽量减小药物的毒性及增强有效性都是亟需解决的问题。
结束语
天使综合征是与自闭症谱系障碍一样严重影响青少年身心健康的一类发育性神经系统疾病，而且天使综合征的致病基因Ube3a也与自闭症有着非常密切的关系。因此，对天使综合征的科学研究对自闭症的神经生物学研究有着非常重要的借鉴意义。大脑中的基因印刻现象一直是一个未解之谜，高等生物体为什么要在大脑中特异性地产生如此之多的基因印刻？这些被印刻的基因与大脑的正常功能有什么关系？基因印刻与自闭症谱系障碍有什么关系？这些都是世界各国科学家正在研究的课题。
从拓扑异构酶抑制剂对天使综合征小鼠模型的作用中，我们可以看到人类战胜各种遗传性疾病的曙光已经到来。然而科学发现并非可以一蹴而就，往往需要数年、数十年的基础研究工作。随着科学与医学的飞速进步，我们毫不怀疑在不远的将来，人类会攻克绝大部分的严重疾病。当然这需要全社会对基础科学研究的非功利性的、长远的支持，让科学工作者在探索未知世界的同时，造福人类社会。
参?考?文?献
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[7]?麻省理工学院生物学开放课程.?http://ocw.mit.edu
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关于本文
本文已发表于《生命的化学》, 2013, 33(5): 604-607，原文PDF下载《自闭症的生物化学”连载之二：基因印刻与天使综合征》