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自閉癥（ASD）的遺傳本身包含一個多樣的等位基因譜，由數(shù)百個基因中罕見的新發(fā)遺傳變異以及數(shù)千個基因上常見的多基因風(fēng)險(xiǎn)組成。自閉癥易感基因在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)水平上相互關(guān)聯(lián)，許多基因在調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)活動的突觸蛋白發(fā)揮作用。為了進(jìn)一步闡明ASD的核心潛在機(jī)制，我們強(qiáng)調(diào)根據(jù)模型系統(tǒng)和人類基因的表型特征來確定ASD亞型的重要性。本文發(fā)表在CELL雜志。（可添加微信號siyingyxf或18983979082獲取原文）。 自閉癥譜系是一種臨床上異質(zhì)性的神經(jīng)發(fā)育障礙，具有很強(qiáng)的遺傳基礎(chǔ)。在過去的十年中， ASD的基因結(jié)構(gòu)很大一部分已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。這些研究提供了大量易感基因。然而，這些并沒有提高對自閉癥機(jī)制的理解。一旦了解了這些基因?qū)ι窠?jīng)發(fā)育的特殊影響，就能幫助我們理解相關(guān)機(jī)制。在這里，我們回顧并討論了目前的基因發(fā)現(xiàn)和機(jī)制研究。新出現(xiàn)的遺傳風(fēng)險(xiǎn)譜 自閉癥遺傳結(jié)構(gòu)的其中一個遺傳風(fēng)險(xiǎn)譜是單基因疾病，主要的危險(xiǎn)因素是單基因突變或拷貝數(shù)變異（CNV）。另一個是多基因風(fēng)險(xiǎn)，它是數(shù)千個共同風(fēng)險(xiǎn)等位基因的總和。在這里，我們總結(jié)了遺傳風(fēng)險(xiǎn)的三個主要組成部分，包括從頭突變、罕見的單基因遺傳變異和常見的多基因變異，并在圖1中進(jìn)行了說明。 
圖1。如（A）所示，遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了三類遺傳風(fēng)險(xiǎn)的確鑿證據(jù)，包括人類群體中常見的多基因變異、罕見變異以及后代中自發(fā)發(fā)生的從頭突變。我們在一個譜系中說明了以上三類變異，但這種描述不一定代表一個典型的家族，因?yàn)閭€體之間的從頭突變、遺傳和多基因風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)是不同的。我們重點(diǎn)介紹了兩個已被記錄的復(fù)雜遺傳的具體例子： （B）多種罕見變異，例如罕見基因變異（+/-）和大量重復(fù)，以及（C）從頭基因突變（+/-）和從父母雙方遺傳的多基因風(fēng)險(xiǎn)。每一種對后代風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)用線的厚度來表示。70%的從頭突變起源于父系，父系對從頭突變的貢獻(xiàn)大于母系。后代ASD癥狀嚴(yán)重程度的變異性表現(xiàn)為譜系符號的陰影顏色。 早期研究證實(shí)，從頭結(jié)構(gòu)突變（SVs）和蛋白質(zhì)點(diǎn)突變具有ASD風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)估計(jì)，約30%的病例是基因從頭突變，包括25%的男孩和45%的女孩。正如對具有重大影響的變異所預(yù)期的那樣，攜帶新發(fā)突變的受試者的非語言智商低于未攜帶突變的受試者。 最近，基于在父母孩子三人中觀察到的從頭突變和傳播突變頻率，開發(fā)了如遺傳傳遞和從頭關(guān)聯(lián)（TADA）等統(tǒng)計(jì)方法來測試基因的疾病關(guān)聯(lián)。通過這些方法，“高置信度”自閉癥易感基因通常被定義為那些滿足錯誤發(fā)現(xiàn)率（FDR）閾值<10%的基因。這種方法成為大家族樣本中通過外顯子組或全基因組鑒定自閉癥易感基因的最有效策略。隨著新研究方法與前人公開的數(shù)據(jù)結(jié)合，自閉癥易感基因的數(shù)量也在增加。最近一項(xiàng)對35584名受試者（其中11986名自閉癥患者）的聯(lián)合樣本進(jìn)行的研究，使ASD高置信度易感基因的數(shù)量達(dá)到102個。53個基因在ASD中的發(fā)生率高于更廣泛的神經(jīng)發(fā)育障礙（NDD），這表明諸如GIGYF1、KDM6B、PTEN、ANK2、KMT5B、KMT2C和CHD8等基因可能對社會行為有更直接的影響。 大多數(shù)突變發(fā)生在精原細(xì)胞的有絲分裂過程中，這一過程在性腺中以恒定比率發(fā)生。因此，大多數(shù)（70%）從頭突變源于父親，后代中新突變的總比率隨著年齡的增長每年增加1-2個突變。（圖1A） 自閉癥遺傳風(fēng)險(xiǎn)的一部分由母親或父親遺傳的罕見變異組成（圖1A）。最初發(fā)現(xiàn)的一些例子是CNV（拷貝數(shù)變異），在人群中作為復(fù)發(fā)性從頭突變出現(xiàn)，但由于認(rèn)知障礙的不同程度，可以從癥狀輕微或無癥狀的父母傳給后代。其中包括15q11-13和16p11.2的重復(fù)和15q11.2的刪除。最近，大樣本SVs的全基因組分析成功捕獲了更廣泛的遺傳變異，包括破壞單個基因或順式調(diào)控元件的缺失。家族外顯子組測序也發(fā)現(xiàn)了遺傳性蛋白質(zhì)截短變異對ASD的貢獻(xiàn)的證據(jù)，因此，ASD的父母遺傳結(jié)構(gòu)的一部分由不完全外顯率的罕見編碼變異組成。 隱性變異只占特發(fā)性ASD和發(fā)育遲緩的一小部分，但在近親家庭中占更大比例（高達(dá)30%）。在這些家族中進(jìn)行DNA測序是一種有效的方法，可用于識別罕見純合子變體引起的ASD病例。近親家庭的測序已經(jīng)確定了與自閉癥相關(guān)的新候選基因。例如，在自閉癥、癲癇和智力殘疾的近親家庭中發(fā)現(xiàn)了支鏈酮酸脫氫酶激酶（BCKDK）基因的失活突變。Bckdk基因敲除小鼠表現(xiàn)出對膳食補(bǔ)充劑有反應(yīng)的異常腦氨基酸譜和神經(jīng)行為缺陷。 來自全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）的數(shù)據(jù)與閾值模型一致，在該模型中，許多風(fēng)險(xiǎn)等位基因?qū)傮w風(fēng)險(xiǎn)有額外的貢獻(xiàn)，由常見SNP解釋的ASD遺傳率估計(jì)值范圍從17%到52%。最近對18381例ASD病例和27969例對照組進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)了5個風(fēng)險(xiǎn)位點(diǎn)和7個與其他精神疾病共有的額外位點(diǎn)的可信證據(jù)。所有常見SNPs對一個性狀的貢獻(xiàn)可以總結(jié)為多基因風(fēng)險(xiǎn)評分（PRS）。根據(jù)先前ASD的GWASs構(gòu)建的PRS已被證明與獨(dú)立隊(duì)列中的病例顯著相關(guān)。令人驚訝的是，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，自閉癥患者的PRS與人群的受教育程度和智商相關(guān)，而其他神經(jīng)發(fā)育障礙患者的PRS相反。這一結(jié)果引發(fā)了關(guān)于高智商與自閉癥之間潛在因果關(guān)系的有趣猜測，但還需要進(jìn)一步對自閉癥PRS與普通人群智商之間的關(guān)系進(jìn)行嚴(yán)格剖析。 攜帶新的CNV（拷貝數(shù)變異）或基因突變的被試之中，精神病診斷是可變的。這表明，即使在強(qiáng)效應(yīng)變異的情況下，精神疾病的決定因素也是多因素的。在這里，我們總結(jié)了多種罕見或常見的基因變異對個體精神病風(fēng)險(xiǎn)共同作用的證據(jù)。 對ASD和NDD中罕見變異的分析發(fā)現(xiàn)了一個寡基因模型的證據(jù)，在該模型中，已知致病性突變的臨床嚴(yán)重程度受另一個罕見變異基因的影響。一系列研究表明，罕見遺傳病的臨床結(jié)果受遺傳背景中罕見變異的影響。這是首次觀察到16p12.1一個大的缺失（500kb），該缺失具有中度的發(fā)育障礙風(fēng)險(xiǎn)。與對照組的缺失攜帶者相比，發(fā)育遲緩的缺失攜帶者的繼發(fā)CNV增加。隨后的研究表明，在1q21.1、7q11.23和16p11.2攜帶CNVs的受試者的臨床嚴(yán)重程度與繼發(fā)罕見變異的數(shù)量相關(guān)，對于攜帶基因破壞從頭突變的ASD受試者也觀察到了類似的結(jié)果。這些結(jié)果與多種罕見變異對ASD和其他NDD風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果是一致的。罕見突變和多基因風(fēng)險(xiǎn)的聯(lián)合效應(yīng) 攜帶一個罕見的強(qiáng)效應(yīng)突變個體的臨床結(jié)果也會受到常見多基因變異背景的影響。研究報(bào)告指出，與對照組相比，攜帶新發(fā)突變的ASD患者的PRS（多基因風(fēng)險(xiǎn)評分）顯著增加。第二項(xiàng)研究考察了多基因?qū)Υ罅?/span>NDD風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)。攜帶變異的NDDs患者的PRS顯著增加。罕見的CNVs和PRS的聯(lián)合作用對于其他精神疾病，如精神分裂癥是顯而易見的。已有結(jié)果表明，CNV攜帶者中的多基因貢獻(xiàn)與CNV的效應(yīng)大小成反比，這與攜帶高度罕見變異的受試者中常見變異的貢獻(xiàn)減少一致。 源于單個基因突變的遺傳效應(yīng)有可能影響其他ASD基因的功能，從而通過基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生廣泛的影響。例如，大腦中調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)突變可以產(chǎn)生許多下游效應(yīng)，這些效應(yīng)通過其他反式調(diào)節(jié)基因介導(dǎo)（圖2A）。其他類型的ASD風(fēng)險(xiǎn)等位基因，如CNV或常見的多基因風(fēng)險(xiǎn)，可能在直接影響基因功能的方式上有所不同（圖2B和2C）。然而，這三類遺傳風(fēng)險(xiǎn)都是相似的，因?yàn)樗鼈兊挠绊懣梢詮V泛分布在一個基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中。
圖2 自閉癥的基因作用形式
ASD網(wǎng)絡(luò)圖中的基因作用形式代表了受變異影響的基因在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的相互作用。紅色節(jié)點(diǎn)代表單個ASD（新發(fā)突變、CNV或常見變異）中直接受風(fēng)險(xiǎn)變異影響的基因。粉紅色節(jié)點(diǎn)代表在同一個體中沒有突變但與網(wǎng)絡(luò)中的主要基因突變密切相關(guān)的其他ASD易感基因。 （A） 一個關(guān)鍵調(diào)控基因的從頭突變。許多ASD基因編碼調(diào)控蛋白，控制發(fā)育大腦中基因的表達(dá)。這些靶基因包括其他單基因ASD基因。因此，單個基因突變的影響可以通過一個基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)廣泛傳播開來。 （B）大的CNV直接改變了幾十個基因的量。因此，CNV的網(wǎng)絡(luò)級效應(yīng)分布比（a）的示例更廣。 （C）多基因風(fēng)險(xiǎn)廣泛分布于基因組和整個基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。 如果您對腦功能數(shù)據(jù)處理感興趣，歡迎瀏覽思影科技課程及服務(wù)（可添加微信號siyingyxf或18983979082咨詢）：第二十屆腦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理班（上海，5.12-17） 第一屆腦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理提高班（上海，5.22-26） 第十七屆DTI數(shù)據(jù)處理班（上海，4.25-30） 第三屆DWI數(shù)據(jù)處理提高班（南京，5.17-22） 第八屆小動物腦影像數(shù)據(jù)處理班（上海，5.6-11） 第四十二屆磁共振腦影像基礎(chǔ)班（上海，6.5-10） 第四十一屆磁共振腦影像基礎(chǔ)班（重慶，5.9-14） 第十三屆腦影像結(jié)構(gòu)班（重慶，6.8-13) 第十五屆腦影像機(jī)器學(xué)習(xí)班（南京，4.18-23） 第四十屆磁共振腦影像基礎(chǔ)班（南京，4.24-29） 數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)介紹：
強(qiáng)致病性CNV通過多基因的劑量效應(yīng)影響性狀 強(qiáng)致病性CNV通常影響幾十個基因的拷貝數(shù)。有一些已知的小片段缺失綜合征，其臨床特征可歸因于該區(qū)域內(nèi)的主要驅(qū)動基因。例如，由多個基因大量缺失引起的Angelman、Phelan-McDermid和Smith-Magenis綜合征的臨床特征可分別通過UBE3A、SHANK3和RAI1中的點(diǎn)突變來重現(xiàn)。然而，對于大多數(shù)強(qiáng)致病CNV，沒有發(fā)現(xiàn)單一驅(qū)動基因存在的證據(jù)。檢測了這些CNV內(nèi)和無致病CNV的基因突變率，未發(fā)現(xiàn)含有>7個基因的CNV從頭突變率增加的證據(jù)，而小CNV內(nèi)從頭突變率顯著增加。 來自轉(zhuǎn)基因模式生物的證據(jù)表明，與CNVs相關(guān)的發(fā)育表型受多基因劑量效應(yīng)的影響。寡基因效應(yīng)已經(jīng)被詳細(xì)描述為在ASD中經(jīng)常觀察到的一種CNV：16p11.2的缺失和重復(fù)。實(shí)驗(yàn)使用RNA-敲除基因?qū)τ糜谠u估果蠅發(fā)育的20種典型表型的影響。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，多個16p11.2基因的突變組合可以對眼睛、翅膀和神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育產(chǎn)生多種影響。還發(fā)現(xiàn)CNV對人類、小鼠和斑馬魚中顱面骨質(zhì)結(jié)構(gòu)有顯著影響，一些基因?qū)︼B骨的生長有顯著影響。這些觀察結(jié)果與CNV的發(fā)育表型一致，CNV可歸因于多基因的劑量效應(yīng)。 如果CNV對一個性狀的影響可歸因于多個基因，這表明CNV對遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的影響在某種程度上可能比上述單基因的例子更為復(fù)雜（圖2B）。 多基因效應(yīng) 多基因風(fēng)險(xiǎn)的性質(zhì)與強(qiáng)效應(yīng)罕見變異的性質(zhì)有根本的不同。多基因風(fēng)險(xiǎn)由數(shù)千個在人群中獨(dú)立的弱效應(yīng)基因組成。因此，為特定性狀定義的PRS代表遺傳效應(yīng)，遺傳效應(yīng)起源于遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)千個不同點(diǎn)（圖2C），并通過下游調(diào)控基因的反式調(diào)控效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。 ASD易感基因在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中相互關(guān)聯(lián) 本文描述了ASD基因如何在基因網(wǎng)絡(luò)、突觸功能和信號通路的背景下顯示出顯著的功能聯(lián)系，見圖3。 
多個自閉癥基因在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中相互作用。這些被強(qiáng)調(diào)為單個神經(jīng)元內(nèi)的生物過程（細(xì)胞質(zhì)呈粉紅色，細(xì)胞核呈藍(lán)色）。互作方式包括DNA互作、RNA結(jié)合和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。與ASD基因相關(guān)的生物學(xué)過程包括基因表達(dá)調(diào)控和突觸功能的調(diào)節(jié)。ASD基因在發(fā)育大腦中優(yōu)先表達(dá)。ASD中罕見基因突變也富集于參與細(xì)胞增殖和分化調(diào)控的特定信號通路，包括mTOR、MAPK和Wnt信號。ASD基因的順式調(diào)控靶點(diǎn)富集于其他ASD基因 ASD易感基因的一個子集直接與DNA或RNA結(jié)合并參與基因表達(dá)調(diào)控的蛋白質(zhì)，稱為DNA結(jié)合蛋白（DBPs）和RNA結(jié)合蛋白（RBPs）。例如，TBR1編碼一種轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合DNA并調(diào)節(jié)發(fā)育中大腦的基因表達(dá)。發(fā)育中的新皮質(zhì)TBR1的染色質(zhì)免疫沉淀測序（ChIP-seq）發(fā)現(xiàn)，與大腦中表達(dá)的其他轉(zhuǎn)錄因子相比，這種蛋白質(zhì)更頻繁地與ASD基因結(jié)合。同樣，染色質(zhì)重塑因子CHD8結(jié)合并積極調(diào)控其他ASD基因。一些ASD易感基因編碼RBPs，參與mRNA轉(zhuǎn)錄、剪接或翻譯的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。一個重要的例子是脆性X智力低下蛋白（FMRP）和其他與ASD相關(guān)的RBP包括CELF4、ELAVL3和GIGYF1。FMRP和CELF4的RNA靶點(diǎn)顯著富集ASD基因，并且在FMRP和CELF4的共同靶點(diǎn)中，ASD候選基因進(jìn)一步富集。通過對26種與ASD相關(guān)的調(diào)控蛋白的結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)行編輯，發(fā)現(xiàn)在這些調(diào)控靶點(diǎn)中富集的ASD基因由其他調(diào)控基因組成。ASD基因突變導(dǎo)致其他反式ASD基因的失調(diào) 上述研究表明，破壞DBPs或RBPs的基因突變可直接影響cis中許多靶基因的調(diào)控。一個罕見的基因突變的影響可以通過下游調(diào)節(jié)蛋白進(jìn)一步傳播。事實(shí)上，在CHD8或FOXP1的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）模型中， ASD基因富集的證據(jù)對于反式調(diào)節(jié)失調(diào)的基因（即它們各自的轉(zhuǎn)錄物在突變系中差異表達(dá)）最為有力，但這些基因沒有被鑒定為轉(zhuǎn)錄因子的直接結(jié)合位點(diǎn)。類似地，對SETD5、FOXP1和TBR1轉(zhuǎn)基因小鼠模型發(fā)育中大腦的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，這些基因的突變導(dǎo)致反式翻譯中ASD基因的失調(diào)。 特發(fā)性ASD患者的基因表達(dá)改變與發(fā)育調(diào)控基因重疊，這些基因與皮層、細(xì)胞周期、增殖和神經(jīng)分化有關(guān)。對來自患有大頭畸形的特發(fā)性ASD的神經(jīng)祖細(xì)胞（NPC）進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)基因顯著富集ASD基因和ASD相關(guān)CNV內(nèi)的基因。在特發(fā)性ASD死后大腦中觀察到免疫基因上調(diào)和突觸基因下調(diào)，這一發(fā)現(xiàn)已在更大的ASD樣本中得到驗(yàn)證。對來自自閉癥、精神分裂癥、雙相情感障礙和抑郁癥等主要精神疾病進(jìn)行了更大樣本的分析，通過識別免疫小膠質(zhì)細(xì)胞和線粒體模塊的上調(diào)，進(jìn)一步支持了先前的結(jié)論。 網(wǎng)絡(luò)中ASD基因的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用分析（PPI）表明，由ASD基因編碼的蛋白質(zhì)具有“高連接性”，這意味著，與隨機(jī)選擇的基因或?qū)φ战M中突變的基因相比，這些蛋白質(zhì)在PPI網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)系更為緊密。對ASD中CNV的研究表明，這些基因彼此高度相關(guān)，并與其他ASD基因高度相關(guān)。這些基因涉及的途徑包括突觸傳遞、染色質(zhì)重塑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、翻譯調(diào)控、離子轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞粘附。ASD基因在胎兒大腦發(fā)育過程中共同表達(dá) 基因的時空表達(dá)分析表明，ASD基因作為一個整體優(yōu)先表達(dá)于胎兒中晚期前額葉皮質(zhì)，并集中表達(dá)于第5/6層皮質(zhì)投射神經(jīng)元。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，胎兒大腦中有幾個發(fā)育共同調(diào)節(jié)的基因表達(dá)模塊富集ASD風(fēng)險(xiǎn)基因，其中第2-4層和谷氨酸投射神經(jīng)元的富集程度最強(qiáng)。同樣，據(jù)報(bào)道，ASD CNV內(nèi)的基因共表達(dá)在發(fā)育的皮層中富集?？傊?，這些結(jié)果突出了早期胎兒大腦發(fā)育在ASD病理生理學(xué)中的相關(guān)性。ASD的共同多基因遺傳力在發(fā)育的大腦中表達(dá)的基因和增強(qiáng)子標(biāo)記顯著富集，并且具有相似的皮質(zhì)細(xì)胞類型豐富性。因此，ASD的共同變異也優(yōu)先影響胚胎發(fā)育期間胎兒皮質(zhì)表達(dá)的基因。 發(fā)育大腦中細(xì)胞增殖途徑的調(diào)節(jié)已成為ASD的另一個融合點(diǎn)，特別是哺乳動物靶點(diǎn)雷帕霉素（mTOR）、促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）和Wnt信號。早期研究發(fā)現(xiàn)，由參與mTOR信號傳導(dǎo)的基因（包括PTEN、TSC1、TSC2和NF1）引起的綜合征通常與大腦過度生長和ASD有關(guān)。隨后，mTOR抑制劑被用于治療此類綜合征，一種藥物依維莫司（諾華）已被批準(zhǔn)用于治療結(jié)節(jié)性硬化癥的癲癇。 參與RAS-MAPK信號傳導(dǎo)的基因突變稱為“rasopathys”的綜合征，通常與ASD的特征相關(guān)。MAPK和Rho-GTPase信號傳導(dǎo)與ASD CNV的基因集富集分析有關(guān)。在攜帶與ASD相關(guān)的16p11.2缺失的轉(zhuǎn)基因小鼠和其他社會性損傷小鼠模型中也報(bào)道了MAPK信號的失調(diào)。 在ASD基因的多個轉(zhuǎn)基因模型中，Wnt信號的失調(diào)已經(jīng)被報(bào)道。例如，成年小鼠中CHD8的敲除導(dǎo)致Wnt信號中斷和異常NPC增殖。破壞ARID1B的突變導(dǎo)致Wnt信號激活和B-連環(huán)蛋白轉(zhuǎn)錄失調(diào)。對小鼠胎兒組織和人類細(xì)胞中SETD5的研究報(bào)告指出SETD5的缺失導(dǎo)致神經(jīng)元基因和Wnt信號的激活。 我們目前對ASD的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)識幾乎完全來自于對罕見變異的研究。罕見變異涉及的基因和途徑可能并不代表復(fù)雜性狀的核心生物學(xué)。從罕見變異和常見變異的角度來看，我們目前對ASD遺傳學(xué)的理解與最近提出的“全基因”作用模式基本一致。該模型假設(shè)復(fù)雜性狀的遺傳基礎(chǔ)是多基因的，以至于很難區(qū)分對性狀有直接影響的“核心”基因和間接作用的許多“外圍”基因，這些基因可能與核心生物過程有著較遠(yuǎn)的聯(lián)系。根據(jù)已有的研究，核心基因被定義為那些對一個性狀有直接影響的基因，而不是通過其他基因的調(diào)控來介導(dǎo)的。對于精神疾病，核心基因可能包括那些直接影響神經(jīng)活動的基因，如神經(jīng)遞質(zhì)受體和離子通道。相比之下，外周基因被定義為所有具有間接介導(dǎo)作用的基因，例如通過基因調(diào)控。全基因模型主要預(yù)測大多數(shù)性狀遺傳力通過遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)傳播的外圍遺傳效應(yīng)解釋，核心基因的遺傳變異只解釋了一小部分遺傳力。這說明鑒定核心基因?qū)币娮儺惖难芯靠赡鼙?/span>GWAS更有效。 對全基因模型的批評已經(jīng)在其他地方發(fā)表，但這些都沒有專門針對ASD或NDD的模型。從自閉癥的角度來看，該模型的主要預(yù)測是正確的。關(guān)于精神病特征模型中最難調(diào)和的方面是核心基因和外圍基因的嚴(yán)格二分法。不同于其他一些復(fù)雜的特征，例如血脂水平，它是由一組參與脂質(zhì)運(yùn)輸和代謝的蛋白質(zhì)控制的，精神病特征不容易在單一的生物途徑中降低為功能障礙。像社交動機(jī)、焦慮和攻擊性這樣的特質(zhì)并不是直接從少數(shù)基因產(chǎn)物中產(chǎn)生的。精神病理學(xué)是從神經(jīng)回路水平的功能障礙中產(chǎn)生的，回路功能是通過多種生物過程受到嚴(yán)格調(diào)控的發(fā)展過程產(chǎn)生的。鑒于神經(jīng)發(fā)育的調(diào)節(jié)是ASD發(fā)病機(jī)制的核心，我們認(rèn)為基因表達(dá)的主要調(diào)節(jié)者可能與任何神經(jīng)遞質(zhì)受體或電壓門控鈉通道一樣接近假設(shè)的ASD基因網(wǎng)絡(luò)的中心。 孤獨(dú)癥譜系臨床表型的多樣性部分反映了ASD潛在的遺傳異質(zhì)性。在某種程度上，存在多種ASD病因中常見的特定神經(jīng)病變，識別這些病變有助于確定影響社會行為的生物學(xué)過程。然而，在概念化基因網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知功能障礙之間的關(guān)系時，我們必須考慮這樣一個假設(shè)：自閉癥譜系由多個臨床亞型組成，每個亞型都具有由基因突變和常見風(fēng)險(xiǎn)等位基因子集驅(qū)動的特征。在某種程度上，ASD中存在多個具有獨(dú)特神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)的臨床實(shí)體，定義自閉癥譜系的遺傳和臨床成分對于實(shí)現(xiàn)對自閉癥的機(jī)制理解是必要的。 原則上，在一個基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中緊密相連的多個核心基因和調(diào)控因子也可能具有相關(guān)的表型特征，這些表型特征是他們易患自閉癥的基礎(chǔ)（圖4）。相反，遠(yuǎn)親基因的突變或同一基因的缺失或重復(fù)可能具有不同的分子和細(xì)胞表型。因此，基因和生物過程之間的關(guān)系可以根據(jù)一組共同的分析中多個基因的表型譜來確定。核心基因的模塊可以根據(jù)它們的性狀相關(guān)性來定義，其方式與基于基因共表達(dá)的模塊檢測并無不同。基因型-表型相關(guān)性已被提出用于常見疾病的臨床亞型，表型數(shù)據(jù)的因子分析已被提出作為定義ASD臨床亞型的手段。我們廣泛收集的ASD基因模型的系統(tǒng)表型，作為確定相關(guān)基因和PRS子集以及確定這些基因集如何影響生物過程的實(shí)驗(yàn)方法。
圖4 基于人類細(xì)胞模型中的性狀相關(guān)性來調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育的核心基因集。 我們提出了基于細(xì)胞模型中基因型-性狀相關(guān)性的表征，作為定義具有共同表型特征的基因集和CNV的手段，這些表型特征可能反映了對神經(jīng)元功能的共同影響。我們舉例說明了一個實(shí)驗(yàn)流程，其中多個基因突變和CNV的影響在一系列細(xì)胞分析中與同基因進(jìn)行了對照。同樣，與PRS的特質(zhì)相關(guān)性也可以在患者來源的品系中進(jìn)行檢測。通過這種方式，基因、CNV和常見的變異可以被分為不同的組。比較細(xì)胞模型和臨床表型數(shù)據(jù)中的性狀相關(guān)模式，有助于確定具有共同神經(jīng)病變的ASD臨床亞型。 最近的工作已經(jīng)以模型系統(tǒng)的表型，并對單一基因背景下的基因突變應(yīng)用一組標(biāo)準(zhǔn)的分析方法。這些工作需要比較基因和cnv對諸如細(xì)胞增殖、樹突狀結(jié)構(gòu)和突觸數(shù)目以及電生理網(wǎng)絡(luò)信號等特性的影響。 為了描述基因變異對神經(jīng)發(fā)育的影響，需要能夠闡明人類細(xì)胞起源、遷移、命運(yùn)和活動的模型系統(tǒng)。iPSC（誘導(dǎo)性的多能干細(xì)胞）是理解復(fù)雜疾病的人體細(xì)胞模型，iPSC模型已經(jīng)有多種ASD相關(guān)的變異。人類細(xì)胞模型的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是能夠模擬CNV或基因突變對細(xì)胞系的影響，或模擬來自患者的細(xì)胞系中自然發(fā)生的變異。此外，最近的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了不同的基因突變?nèi)绾螌?xì)胞表型產(chǎn)生不同的（有時是相反的）影響，這也強(qiáng)調(diào)了ASD是如何由不同類型的神經(jīng)病理學(xué)引起的。 ASD人類臨床研究的一個強(qiáng)有力的發(fā)現(xiàn)是，在一組病例中，觀察到在生命的頭三年中大腦發(fā)育顯著加快。隨著遺傳學(xué)的發(fā)現(xiàn)，大頭畸形是自閉癥某些基因亞型的特征，而相反的表型（小頭畸形）與自閉癥譜系內(nèi)的其他遺傳疾病有關(guān)。例如，對于位于兩個位點(diǎn)1q21.1和16p11.2的CNV，缺失和重復(fù)對大腦生長有相反的影響。在影響頭部大小的ASD基因中，CHD8和PTEN的突變與大頭畸形相關(guān)，DYRK1A和CDKL5的突變與小頭畸形相關(guān)。 細(xì)胞模型有可能闡明影響細(xì)胞增殖的基礎(chǔ)。罕見小頭綜合征的IPSC（誘導(dǎo)性的多能干細(xì)胞）模型已被證明存在神經(jīng)祖細(xì)胞缺失和神經(jīng)細(xì)胞過早分化。研究發(fā)現(xiàn)，來自患有自閉癥和早期發(fā)育性大腦增大的被試的iPSC衍生細(xì)胞顯示出快速增殖，與神經(jīng)解剖特征下的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)改變一致。來自這個群體的神經(jīng)元形成較少的興奮突觸，成熟為缺陷的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。16p11.2缺失和重復(fù)的細(xì)胞模型再現(xiàn)了細(xì)胞增殖的鏡像效應(yīng)，并揭示了突觸密度的鏡像效應(yīng)。這些結(jié)果表明，細(xì)胞增殖和分化的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法可以檢測特定基因發(fā)育的遺傳效應(yīng)。 早期對人類細(xì)胞模型的研究是在來源于具有MECP2基因功能缺失突變的Rett綜合征患者的神經(jīng)細(xì)胞系上進(jìn)行的。人類皮層神經(jīng)元的樹突狀結(jié)構(gòu)減少，谷氨酸能突觸點(diǎn)減少，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺陷。神經(jīng)突起生長減少、樹突化和興奮性突觸是基因突變細(xì)胞模型中常見的神經(jīng)元表型，包括SHANK3模型、FMR1模型和CACNA1C模型。重要的是，MECP2相互功能增強(qiáng)的細(xì)胞模型（MECP2復(fù)制綜合征）顯示出突觸和樹突增加的相反效應(yīng)。Williams綜合征和SHANK2的神經(jīng)元模型也報(bào)道了樹突長度和突觸形成的增加，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了同一基因或不同基因的不同突變?nèi)绾螌?xì)胞表型電生理學(xué)產(chǎn)生相反的影響。在使用CRISPR/Cas9創(chuàng)建的iPSC（誘導(dǎo)性的多能干細(xì)胞）系和等基因?qū)φ諏?/span>10個ASD易感基因（FMR2、ANOS1、ASTN2、ATRX、CACNA1C、CHD8、DLGAP2、KCNQ2、SCN2A和TENM1）進(jìn)行系統(tǒng)篩查中，膜片鉗記錄檢測到ATRX、AFF2、KCNQ2、SCN2A和ASTN2等基因模型子集中的興奮性突觸后電位（EPSP）降低。SHANK2、CNTNAP5和EHMT1的神經(jīng)元模型顯示超連接。因此，神經(jīng)元的電生理行為代表了一種可能區(qū)分對神經(jīng)活動有不同影響的基因讀數(shù)。 在一個系統(tǒng)中記錄多個表型的一個方法是使用大腦類器官，即三維自組裝多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，模擬發(fā)育中人腦的組織、轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳特征。腦類器官可用于動態(tài)研究祖細(xì)胞的神經(jīng)增殖、遷移、分化和成熟。腦類器官模型已被證明可再現(xiàn)小頭癥中的細(xì)胞增殖效應(yīng)，并被用于研究Timothy綜合征中的神經(jīng)遷移缺陷，Timothy綜合征是一種由Cav1.2鈣通道基因突變引起的罕見ASD突變。類腦器官上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的長期成熟可導(dǎo)致類似腦電圖（EEG）的振蕩波，可直接與ASD患者的EEG信號進(jìn)行比較。然而，目前尚不清楚大腦類器官是否能在功能上成熟到可以模擬網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)的階段。隨著方法學(xué)的改進(jìn)，我們也許能夠在體外識別出更多或更具體的與人類iPSC（誘導(dǎo)性的多能干細(xì)胞）衍生神經(jīng)元行為和網(wǎng)絡(luò)水平變化相關(guān)的因素。 精確精神病學(xué)的最后一個難題也是最重要的部分是將核心基因集與人類精神病理學(xué)的特定表型聯(lián)系起來。在過去的十年中，為確定精神病“內(nèi)表型”的遺傳基礎(chǔ)做出了重大努力。這些研究對于應(yīng)用生物特征學(xué)（如EEG）的研究來說規(guī)模很大，但按照GWAS的標(biāo)準(zhǔn)來說規(guī)模很小，在實(shí)現(xiàn)將基因定位到內(nèi)表型的目標(biāo)方面基本上是不成功的。回想起來，這并不奇怪，因?yàn)閮?nèi)表型本身就是復(fù)雜的性狀。 隨著數(shù)以百計(jì)的自閉癥易感基因的發(fā)現(xiàn)，這個問題現(xiàn)在可以用反向遺傳學(xué)的方法重新審視：從基因型開始，確定基因如何影響臨床表型。神經(jīng)影像學(xué)和醫(yī)療健康信息的大數(shù)據(jù)研究，以及在大樣本中定義維度精神特征的努力以及罕見的遺傳疾病正在提供進(jìn)行此類研究的機(jī)會。對于罕見的突變，一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是獲得一個特定遺傳疾病的受試者的大樣本。國際大腦行為聯(lián)合會（IBBC）已開始在多種遺傳疾病中系統(tǒng)地應(yīng)用一系列精神病理學(xué)維度測量，特別關(guān)注具有重大風(fēng)險(xiǎn)的CNV。結(jié)果表明，CNV攜帶者臨床表型表達(dá)的發(fā)育過程與特發(fā)性人群相似。同時，不同的遺傳疾病在表型表達(dá)上存在明顯的差異，這可以作為觀察不同的ASD分子亞型的窗口。例如，在涉及社會認(rèn)知、語言和獎勵的神經(jīng)回路中，多個基因座重復(fù)和缺失與相反的大腦表型相關(guān)。對16p11.2的缺失和重復(fù)攜帶者的認(rèn)知和語言研究報(bào)告了對特定語言技能的鏡像效應(yīng)，缺失攜帶者的表現(xiàn)降低，重復(fù)攜帶者的表現(xiàn)比對照組更好。這一發(fā)現(xiàn)突出了細(xì)粒度表型的重要性，并進(jìn)一步表明基因型-表型關(guān)系的特異性。 ASD已經(jīng)從一個神秘的和被誤解的常見疾病發(fā)展成為后基因組時代的成功案例之一。我們將這一成功歸因于測序技術(shù)的到來以及通過國家衛(wèi)生研究院等大型基因組數(shù)據(jù)集?；?、神經(jīng)發(fā)育和認(rèn)知功能之間的關(guān)系，可能需要在轉(zhuǎn)化神經(jīng)科學(xué)和臨床精神病學(xué)領(lǐng)域采用類似的大數(shù)據(jù)方法。在文中，我們還沒有解決所面臨的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，包括可在大量基因上進(jìn)行評估的細(xì)胞分析或臨床測量的數(shù)量，以及足夠所需的樣本或受試者的數(shù)量?；虬l(fā)現(xiàn)加速了這一過程，提供了知識基礎(chǔ)，這將為臨床測序和ASD的新治療策略的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
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