作者 | 林梅
三十年前，一部講述手足情深的美國電影《雨人》上映，故事的主角是湯姆克魯斯飾演的汽車商人查理和他患有自閉症的哥哥雷蒙。面對這個突然出現在生活中的自閉症哥哥，查理從一開始的算計和輕蔑，到最後重拾親情，感動了無數人，影片斬獲了第61屆奧斯卡最佳影片等四個獎項。雖然自上映以來已經過去三十年，故事裡細膩的情感，依然帶給無數觀眾對於親情的思考，也讓人們直觀的了解到了一種特殊的疾病——自閉症。
其實，自閉症是一類廣泛性神經系統疾病的總稱，包括：瑞特綜合症、阿斯伯格綜合症、童年瓦解性障礙等病症。通常，患有自閉症的孩子有明顯的社交障礙，無法與我們正常溝通，眼睛看得見卻對你視而不見，耳朵沒問題卻對你充耳不聞，自顧自做著重複性的動作，好像活在自己的世界裡，所以自閉症又叫做孤獨症。自閉症孩子的父母，無法讓自己的孩子接受正常的教育融入社會，同時也面臨很多來自他人的誤解和壓力。
上世紀四十年代，美國醫生第一次闡述了這種疾病。隨著對自閉症研究的深入，人們對它有了一定程度的了解。比如，最初人們認為自閉症是由於父母照顧不周、關心不當導致的性格問題。但隨著研究的深入，人們漸漸了解到，自閉症是一種先天性的神經發育障礙，與父母的養育方式並無直接關係。而且,自閉症是一種很複雜的疾病，不僅每位自閉症孩子的表現各有不同，與自閉症有關的基因更是多達上百個，可以說，對自閉症的研究是一個充滿了未知的領域，等著我們去探索。
起初，對自閉症的探索非常局限，因為在對意外死亡的自閉症病人的大腦中進行解剖時，並沒有發現自閉症病人的大腦中有任何病變，所以人們只能提出一些猜想。
隨著上世紀末期分子生物學的進展，以及DNA測序技術的進步，人們對自閉症的研究漸漸超越早期的臨床病理層面，深入到細胞和分子的病理層面，使得人們得以從更微觀的視角審視自閉症。經過對大量自閉症病人的遺傳篩選，科學家們已經可以基本確認自閉症與遺傳因素關係最為密切，人們發現，有一系列重要基因在自閉症病人中發生了突變。
對於神經生物學家來說，他們非常想知道這些基因突變是怎樣影響神經系統的發育及功能，進而導致了自閉症。神經生物學家在研究自閉症患者那些突變的基因功能時發現，這些基因有些是與神經發育相關的蛋白編碼基因，比如突觸蛋白編碼基因, 這會不會意味著，自閉症與神經系統的發育特別是突觸的正常功能失調有很大關係呢？在孤獨症患者體內發生突變的基因突變是否真的導致了神經系統的不正常呢？
說到突觸，它是大腦正常工作的必不可少的單元。我們知道，神經元是神經系統最基本的功能單位，但是，神經元彼此之間必須要能夠有效傳遞神經信號, 才能完成最基本的神經功能。神經元間相互連接的界面被稱為神經突觸, 神經衝動由一個神經元的軸突傳導給另一個神經元的細胞體或樹突，神經信號才得以傳遞，所以說，突觸是一個非常微小又非常重要的結構。而且，突觸是處在動態變化中的，舊的不需要的突觸消失, 新的需要的突觸又形成, 這個動態過程被某種調控機制精密的操縱著，這套精密的調控背後遵循的代碼就是鐫刻於體內的基因，科學家們開始著手對這些基因進行研究。
科學家發現，自閉症患者體內一些突變的基因是負責編碼在突觸中起粘黏功能的蛋白。這些蛋白類似於粘合劑，把突觸彼此之間連接起來。其中，有一對叫做neuroligins 和 neurexins 的家族蛋白引起了科學家的注意。美國史丹福大學 Sudhof 教授研究組早在 20 世紀 90 年代就發現了neuroligins 與neurexins 家族蛋白在突觸黏連方面的重要作用。當他發現neuroligins 與neurexins 家族蛋白的編碼基因在自閉症患者中發生突變，立刻著手開始研究。其實說起來，這個突變也就是改變一個胺基酸，將451的精氨酸變成了半胱氨酸(R451C)而已。Sudhof團隊拿小鼠做起了實驗，他們將小鼠基因組 上面的neuroligin3基因也做了對應的突變，然後研究這些小鼠的行為和正常小鼠有什麼不同。比如，將小鼠置於一個可以自由運動的三廂，再將被實驗鼠置於中間，左廂放著一個玩具，右廂放一個同伴小鼠。正常的小鼠通常更喜歡與同伴小鼠玩耍打鬧，但是基因突變的小鼠對同伴小鼠卻沒有什麼興趣，它並不想去「social」。科學家們還發現，neuroligin3(R451C)蛋白影響了小鼠大腦中的抑制性突觸傳導,使得神經元網絡發生功能紊亂。
其它與突觸有關蛋白的編碼基因與自閉症的關係也在研究之中。比如，重要的突觸後細胞骨架蛋白的編碼基因shank3突變、突觸黏連蛋白cntnap2,4的基因突變等，都在小鼠實驗中顯示可以導致神經系統異常和一系列類孤獨症及精神疾病的症狀。這些證據都表明, 孤獨症確實與大腦中突觸傳導的功能異常有關。
除了突觸蛋白編碼基因以外，還有一種基因也在自閉症患者體內顯現出異常。這就是甲基化 DNA 結合蛋白 MeCP2(methyl CpG-binding protein 2)的編碼基因。
在哺乳動物的DNA中，有一種雙核苷酸結構，叫做CpG（CpG是胞嘧啶（C）—磷酸（p）—鳥嘌呤（G）的縮寫），這種結構高度聚集的區域，叫做CpG島。有時，CpG中的C易被甲基化而形成5'-甲基胞嘧啶，甲基化與基因的轉錄活性有關。所以，在許多基因的啟動子（promotor）或「起始」區域周圍，甲基化經常被抑制。甲基化的CpG島之所以能對轉錄起抑制作用，是通過一些其他一些物質結合實現的，其中有一種叫做MeCP2的蛋白，就是是甲基化結合蛋白家族中的主要成員，它通過與甲基化DNA的特異性結合，抑制其下遊靶基因的轉錄，起到轉錄調節的作用，因此是重要的轉錄抑制因子。可以想像，當負責產生MeCP2的編碼基因功能異常時，下遊靶基因的表達就會異常，疾病就會發生。
MeCP2的編碼基因主要在腦內表達，它出了問題，神經元發育、突觸的形成都會受影響。1999年，美國貝勒醫學院的 Zoghbi 教授研究組發現一種嚴重的神經發育性疾病瑞特症候群(Rett syndrome)與MECP2 基因突變密切相關, 95%的瑞特症候群病人攜帶 MECP2 基因的缺失功能突變。瑞特症候群患者因為有部分與孤獨症患者類似的表型, 早期也被歸為孤獨症譜系障礙的一種 (autism spectrum disorders, ASD)。反過來，當MECP2由於複製異常而導致拷貝數增多時, 也會導致最近鑑定出的MeCP2重複綜合症(MECP2 duplication syndrome)的自閉症。所以, 體內這個MECP2基因的表達必須適度, 過多或者過少, 都會引起神經突觸及神經系統功能的異常, 從而導致自閉症。
但是，要想攻克自閉症，僅僅知道這些大道理遠遠不夠。要想這些基因到底是怎麼影響動物的神經發育和行為表型的，還是要建立可靠的動物模型。小墨為大家介紹過基因編輯技術（《上帝的手術刀——基因編輯將如何改變人類？| 王立銘》），正是利用基因編輯工具，科學家把小鼠體內與人類自閉症對應的同源基因進行敲除與突變，這些基因突變的小鼠的確展現出與瑞特症候群非常相似的表型。同時, MECP2基因過量表達的小鼠模型模型也展現出明顯的社交功能障礙。
但是，人的神經系統是相當複雜的，對於人類的高級神經活動，僅僅用小鼠這種嚙齒類動物來模擬，實在是太局限了，畢竟人類大腦的複雜程度不是老鼠可以比擬的，我們需要一個親緣關係相近的物種來構建模型研究自閉症。什麼動物與我們人類最接近呢？當然是非人靈長類。非人靈長類有著和我們人類類似的一些複雜社會行為，和相似的生物學特徵。在進化史上，人與老鼠一億年前就分道揚鑣，但是人與猴在2000萬年前才分離，人和其他靈長類動物在基因序列和腦結構上都有著很高的相似度。利用非人靈長類建立腦疾病動物模型，研究神經疾病是最合適不過的了。從2014年開始，國內的科研小組在這方面的工作陸陸續續被報導。
中國科學院上海生命科學研究院神經科學研究所的仇子龍研究組和孫強研究員的團隊與蘇州靈長類平臺合作，拿食蟹猴做起了實驗。食蟹猴是一種比獼猴小一些的靈長類，有長長的尾巴，因為喜食螃蟹及貝類而得名。研究人員利用 TALEN（慢病毒侵染法，一種基因編輯工具），將外源的MECP2基因插入了食蟹猴的基因組中, 建立了在神經系統中特異性過表達MECP2基因的轉基因食蟹猴模型。接著，他們開始研究這些轉基因食蟹猴的生長發育、社交行為和學習能力。
科研人員發現，相對於正常的野生型食蟹猴，MECP2 轉基因食蟹猴體重發育遲緩、脂肪酸代謝異常，這兩種表型與MECP2倍增綜合症患者的臨床表現是一致的。接著，科學家開始觀察轉基因食蟹猴的行為。首先，科學家統計了轉基因食蟹猴的行動路線，發現轉基因食蟹猴會明顯花費更多的時間在重複的行動路線上；接著，實驗人員人為地給予轉基因食蟹猴威脅性刺激時，相對於正常野生猴，它們表現出明顯的焦慮與警惕；我們知道，社交行為及能力的檢測對於自閉症表型具有最為重要的意義，在最重要的社交相關的行為學實驗中，無論是社群內社交時間還是不同社群配對的社交時間，轉基因猴均顯著低於對照組；而在與學習記憶相關的威斯康星測試中，轉基因組雖然沒有顯示出學習能力的異常，但表現出重複性的刻板行為。這些結果與 MECP2 倍增症候群患者的臨床表型非常相似。
既然自閉症與基因密切相關，那這種自閉症會不會遺傳給下一代的？為了得到答案，科學家扮演了一把「送子觀音」，它們將轉基因食蟹猴的精巢組織移植至裸鼠皮下並使用激素促進成熟，在得到轉基因食蟹猴的成熟精子後，通過體外受精以及人工受孕技術，成功地在短期內得到了原代轉基因食蟹猴（F0）的子代猴（F1)。深度測序結果顯示，食蟹猴爸爸體內的外源的 MECP2 基因插入位點通過種系傳遞作用遺傳到了食蟹猴寶寶的基因組中，並顯示出孟德爾式遺傳分離的現象。通過Western Blot 檢測，這些轉基因食蟹猴寶寶的大腦中也能夠特異性地表達外源的MeCP2基因，也就是說，猴寶寶從爸爸身上遺傳到了神經系統中特異性過表達MeCP2的特性。
接著，科學家也研究了這些猴寶寶——也就是子代轉基因食蟹猴在不同社群中的配對社交行。結果也顯示，野生型與野生型配對組中的社交時間要顯著高於轉基因型與轉基因型配對組的社交時間，這種社交頻率的顯著下降，與轉基因猴爸爸、還有自閉症患者都是十分相似的。這些都清楚地證明了，自閉症確實是一種遺傳性疾病。
自閉症是一種十分複雜的疾病，這些工作都只是人類剛剛看到了它的冰山一角，還有大片區域隱藏在未知的深海裡。食蟹猴這種人類的朋友不僅會幫助我們在基礎研究上進一步揭開自閉症的發病機制，未來還會在臨床上為我們的治療和測試提供模型。等到人類最終攻克自閉症的那天，除了要感謝科學家和醫生，還請不要忘記了這些可愛的小生靈。
圖片來源：
P1來自劇照
P2,P3來自https://pixabay.com
P4來自仇子龍課題組
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