当猴子患上了自闭症 李 霄

李 霄 仇子龙*
(中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所神经科学国家重点实验室,中国科学院脑科学卓越创新中心, 上海 200031)
 
 

仇子龙, 现任中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所研究员、博 士生导师。1998年毕业于上海交通大学生物科学与技术系, 2003年在中国 科学院上海生物化学与细胞生物学研究所获得博士学位, 2003至2009年在 美国加州大学圣迭戈分校神经生物学系从事博士后研究, 2009年7月受聘中 国科学院上海神经科学研究所研究员、课题组长。获得中国科学院百人 计划择优、科技部973及中国科学院战略先导专项等支持, 2014年入选中国 科学院脑科学卓越创新中心。从事自闭症的神经生物学研究, 研究工作主 要集中在与自闭症及瑞特综合征等发育性神经系统疾病关系密切的基因 MECP2(methyl-CpG binding protein 2)上, 主要工作包括: (1)发现MECP2蛋 白直接影响核内小RNA剪切加工复合物的活性而调控神经元内小RNA的 产生, 提出了发育性神经系统疾病致病机理的新观点(Cheng et al. Dev Cell 2014); (2)发现MECP2蛋白可被小泛肽化(SUMOylation)修饰而影响转录调控 功能与突触发育(Cheng et al. J Neurochem 2014); (3)应用TALEN基因编辑方 法得到敲除MECP2基因的食蟹猴, 建立了食蟹猴基因编辑系统, 为在非人灵 长类中建立自闭症模型、深入研究自闭症的神经机理打下重要基础(Liu et al. Neurosci Bull 2014); (4)应用慢病毒转基因方法得到慢病毒介导的转基因 方法成功获得了8只存活的携带人类MECP2基因的转基因食蟹猴, 系统性的 分析了MECP2转基因食蟹猴的行为表型, 发现MECP2转基因食蟹猴表现出 多种自闭症患者的症状, 如重复刻板行为、社交障碍及升高焦虑水平等, 系 国际首次建立精神疾病的基因工程非人灵长类动物模型, 为自闭症的病理 与转化研究提供重要动物模型(Liu et al. Nature 2016)。

 
 
在普罗大众的印象中, 自闭症像是一种性格标 签, 可以不吝惜地贴在了那些不善社交、少与别人 交流、性情内向的人的身上。然而对于医学和神经 科学相关的专业人士而言, 自闭症却并不是一张意 如其名的标签, 能够轻易地贴出来。 自闭症的首次临床定义是在20世纪40年代由 美国医生Kanner提出的(图1A)[1], 经过几十年来的发 展, 专业领域一般认为, 自闭症(autism)是一类广泛 性的神经系统发育性疾病[2], 包括: 瑞特综合征(Rett syndrome)、阿斯伯格综合征(Asperger syndrome)、 童年瓦解性障碍等病症。由于是发育性疾病, 所以 患者从婴幼年便开始发病[3], 主要的病因则是会影 响到发育过程的遗传、免疫、孕期理化因子刺激 等因素。患者的临床表现主要在: (1)对父母不产生 依恋, 不能与同龄儿童建立伙伴关系等此类社会交 往行为的障碍[4]; (2)无法用动作表达自己意愿, 语言 运用和理解能力缺失等此类交流性障碍[5]; (3)无法 对玩具感兴趣, 重复蹦跳、重复机械性动作等此类兴趣缺失及重复刻板性行为[6], 另有少量病患出现 癫痫、智力低下、个体发育迟缓等较严重病症(图 1B)。


图1 首次对自闭症做出临床定义的Kanner医生(A)及自闭症患者的临床表型(B)
Fig.1 Doctor Kanner who made clinical definition of autism for the first time (A) and clinical phenotype in autism patients (B)

近几十年来, 随着生命科学的日新月异, 对于 自闭症的研究和理解也越来越深入, 从早期的临床 病理层面, 逐步深入到细胞以及分子的病理层面, 使得人们对于自闭症的发生、病程进展以及治疗有 了更全面和精细的了解。目前的研究结果显示, 自 闭症并不是神经系统严重的、明显的损伤, 而与神 经系统的发育过程以及功能具有相关性, 其中最重 要的则是与神经突触功能与调节息息相关[7]。对于 神经系统而言, 神经元是此系统的核心, 也是最基 本的功能单位。神经元彼此之间相互连接才能顺畅 地传递神经信号, 完成最基本的神经功能。而神经 元彼此之间的连接阵列, 构成了行使高级神经活动 的基础。在此, 神经元间相互连接的界面被称为神 经突触[8-10], 由此可以理解突触对于神经系统的重要 性。有趣的是, 神经元间的连接并不是静态的, 而 是一直处于动态变化当中, 旧的不需要的突触消失, 新的突触又形成, 在这个此消彼长的过程中, 消失 与形成却不是随机的, 而是处于精密的调控机制操 纵之下[11-15]。那些与突触这个微小却又重要的结构以及调控这个结构消亡产生相关的生命源代码—— 基因, 毫无疑问, 也与自闭症有着密切而重要的联系 (图2)。

在这些相关的基因中, 一个名叫甲基化CpG岛 结合蛋白2(methyl-CpG-binding protein 2, MECP2) 的基因, 以其有趣的特征吸引了研究者们的注意。 MECP2基因编码一种甲基化DNA结合蛋白, 它虽然 不直接参与到神经突的结构和功能中, 但却可以通 过结合DNA的甲基化CpG岛或是招募转录因子来操 纵与神经突触功能及调控相关基因的表达[16-19], 从 而间接地对神经功能造成影响。当MECP2基因因 突变或者缺失丧失功能时, 可导致Rett syndrome此 类自闭症[20]; 而当MECP2由于复制异常而导致拷贝 数增多时, 却又会导致另一类被称为MECP2倍增综 合征(MECP2 duplication syndrome)的自闭症[21]。由 此可见, 体内MECP2这个基因的表达量如同一座天 平, 必须保持着精妙的平衡, 无论过多或者过少, 都 会引起神经突触及神经系统功能的异常, 从而导致 自闭症(图3)。



然而, 仅仅知道了遗传背景和分子机制, 对于 治疗自闭症还是远远不够的。如何为发病过程提供 一个观察窗口以及为治疗方案提供一个测试平台也是非常重要的。近年来, 基因编辑技术及模式动物 的发展对此提供了非常有利的条件。现有的研究结 果已经报道了MECP2基因敲除的小鼠模型, 该模型 的确展现出与瑞特综合征非常相似的表型, 为瑞特 综合征的观察和治疗提供了便利; 同时, MECP2转基 因(过表达)的小鼠模型也同样已得到建立, 该模型也 展现出明显的社交功能障碍。但自闭症毕竟涉及多 种复杂的高级神经活动, 如果要为临床研究与治疗 提供更为有力的支持, 小鼠已显得捉襟见肘, 更高级的动物模型和更复杂的神经系统是非常必要的[22-23]。

为了解决这个问题, 中国科学院上海生命科学 研究院神经科学研究所的仇子龙研究组和苏州灵长 类平台通过使用慢病毒载体侵染带入外源基因的方 法(图4A), 成功地建立了在神经系统中特异性过表 达MECP2基因的转基因食蟹猴模型(图4B)。通过分 子生物学和生物化学方法的鉴定, 外源的MECP2基 因有效地插入了食蟹猴的基因组中(图4C), 并且能 够只在神经系统中进行表达。

遗传学层面的操作已经成功, 种子既已种下, 会在食蟹猴这一非人灵长类动物的土壤中结出怎样 的果实呢?转基因食蟹猴相对于野生型的对照食蟹 猴又会展现出怎样的不同呢?带着这样的疑问, 研 究人员们对此模型进行了长期的体征观察和大量的 行为学测试, 结果是非常有趣的。在体征观察与记 录中, MECP2转基因食蟹猴表现出明显的体重发育 迟缓以及血浆中脂肪酸代谢的异常, 这两种表型也 见于对MECP2倍增综合症患者的临床表现的报道 中。而在行为方面, 对单只食蟹猴进行行动路线追 踪的结果显示, 转基因食蟹猴会花费更多的时间在 一种刻板的重复性路径行进上(图4D)。而当人为的 给予转基因食蟹猴威胁性刺激时[24], 相对于野生型对照, 该型食蟹猴会表现出更强烈的焦虑情绪与敌 意。在最为重要社交行为及能力方面, 研究人员发现, 无论是在社群内的社交行为(图4E)还是与另一只配 对的社交行为, 转基因食蟹猴的社交频率统计结果 均显著的低于野生型对照(图4F), 该结果对于评估 MECP2转基因食蟹猴的类自闭症表型具有重要的意 义。在此之后, 研究人员又通过威斯康星通用仪器 测试对转基因食蟹猴的学习能力进行了评估[25-26], 在 该项实验中, 转基因食蟹猴并没有表现出明显的学 习障碍, 但却出现了被认为是自闭症表征的重复刻板行为。


A: 病毒载体中外源转基因片段的设计方案; B: 在母亲照看下的新生F0代转基因食蟹猴; C: 深度测序得到的转基因插入位点的全基因组 Mapping; D: 行动路线追踪结果示意及重复路径时间结果统计, P<0.05; E: 社群内社交行为检测的行为学范式; F: F0代配对社交行为测试的结 果; G: 新生的F1代转基因食蟹猴; H: F1代配对社交行为测试结果。 A: lentiviral expression cassette; B: image of newborn MECP2 transgenic monkey; C: gemome-wide distribution of transgenes in F0 TG monkeys; D: alterations in locomotion activity, P<0.05; E: paradigm of social test within group; F: interaction time of social test within pair of F0; G: image of newborn F1 MECP2 transgenic monkey; H: interaction time of social test within pair of F1.
图4 携带人类MECP2基因的转基因后表现类自闭症症状(根据参考文献[29]修改)
Fig.4 Transgenic monkeys carrying human MECP2 gene exhibit autism-like phenotypes (modified from reference [29])

在自闭症中, 遗传是一项重要因素, 而作为致病 基因已明确的MECP2倍增综合征, 遗传影响的重要 性不言而喻。为了深入地研究此问题, 研究人员将转 基因食蟹猴的精巢组织移植至裸鼠皮下并使用激素 促进成熟, 成功地在短期内得到了原代转基因食蟹 猴(F0)的子代猴(F1)(图4G)[27], 经过遗传学检测, 研究 人员们发现, F0代转基因食蟹猴基因组中的外源插 入片段的位点, 通过种系传递[28], 遗传至F1代子猴的 基因组中[28], 并且F1代子猴中位点的分布与F0代比 较, 呈现出典型的孟德尔分离现象。此结果显示, F1 子代猴从亲代F0身上遗传到了神经系统中特异性过 表达MECP2的特性, 并且针对于F1的配对社交行为 检测结果也显示, 转基因食蟹猴相较于野生型对照 也展现出社交行为频率的显著下降(图4H), 该表型 与F0亲代猴以及自闭症患者的临床表型是相似的。

综合以上的结果, 在该项目中, 仇子龙研究组 与苏州灵长类平台成功地建立了神经系统特异性 表达MECP2的转基因食蟹猴模型, 且该转基因可以 通过种系传递向子代进行遗传。无论是F0还是F1, MECP2的异常表达都导致了转基因食蟹猴出现明显 的类自闭症行为, 简而言之, 作为与人类亲缘关系很 近的猴子患上了自闭症。该项工作为观察自闭症的 病程进展提供了一扇很好的窗口, 并为之后进一步 研究自闭症的机制提供了坚实的基础, 也为自闭症 的临床治疗提供了良好的动物模型和试验平台。

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