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造成自閉症的真兇 ── Trio 基因是你 ?!

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自閉症(autism)這個詞,最早由約翰‧霍普金斯醫院的肯納醫師(Leo Kanner,1894-1981)在 1943 年的期刊論文中分享他對十一名有類似行為異常的兒童的報導時使用的。後來愈來愈多的研究投入後發現,自閉症是一種很複雜的神經發育上的障礙,不同患者所呈現出來的症狀可以有極大的差異;因此目前已更名為自閉症類群障礙(Autism-spectrum disorders,ASD)

正如肯納醫師使用的「autism」一字所述,雖然自閉症類群障礙的患者症狀多元,但他們有一些共通性:社交障礙、溝通障礙以及重複、侷限性行為。目前估計大約百分之一的人口有自閉症,其中有四成出現發育遲緩、七成有不同程度的心智障礙等。雖然部份的自閉症類群障礙是由遺傳而來,但近年來也發現越來越多的 ASD 患者是由「從新」突變(de novo)產生:也就是說,他們的家族過去並沒有 ASD 患者。不論是由家族遺傳、或這些「從新」突變的 ASD 患者的基因體得到的資料、以及以老鼠為模型的研究,都發現穀胺酸突觸(glutamatergic synapse)的功能調節失常可能與自閉症有關。

研究人員發現與 ASD 相關的基因

為了想瞭解究竟穀胺酸突觸與自閉症的關連有多大,一個美國的研究團隊搜尋了數個大型的基因突變資料庫,從中尋找與 ASD 相關的從新突變。在 4,890 個有 ASD 相關障礙的患者中,研究團隊發現穀胺酸突觸神經傳導所必須的 Trio 基因可能與 ASD 有關:有十一個病人的基因突變出現在這個基因裡,包含了九個錯義突變(missense mutation)、一個無義突變(nonsense mutation)與一個刪除了十六個外顯子(exon)的突變。

Trio 基因並非特別容易發生突變的基因。一份來自超過六萬人的基因庫資料分析顯示,它在人類基因保留性中為排名前六十高的基因,且在 9,937 名不包含 ASD 患者的基因資料庫中,也沒有找到任何 Trio 基因的突變。更有意思的是,Trio 還有一個旁系同源基因 Kalirin,而這個基因在 ASD 患者中並未發生突變。由於 Trio 在懷孕末期、出生早期表現量最高,而 Kalirin 則要到青春期才會開始表現,這讓 Trio 的這些突變顯得更加特殊。尤有甚者,在 Trio 的九個錯義突變裡,竟然有六個出現在它與 Rac1 蛋白互動的區域:GEF1 區域。對於本身由兩千多個胺基酸構成的 Trio 來說,僅包含 175 個胺基酸的 GEF1 區域竟然出現的六個錯義突變,要說是巧合實在也太巧了。

於是研究團隊決定再仔細分析這些突變。位於 GEF1 區域的六個錯義突變中,有五個被電腦模擬認定會干擾 Trio 與 Rac1 蛋白互動。過去的研究顯示,在穀胺酸神經突觸裡,Trio 經由活化 Rac1 來促進肌動蛋白的聚合作用(actin polymerization);唯一一個預測不會干擾 Trio 與Rac1 互動的突變 D1368V,患者所顯示的症狀與其他 ASD 患者有明顯的不同。

研究團隊接著分析無義突變。這個無義突變造成 Trio 只剩下 1,329 個胺基酸,於是大半個 GEF1 區域便消失了。研究團隊將這個無義突變選殖出來並以螢光共振能量轉移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)來偵測它與 Rac1 的互動能力發現,它與 Rac1 的互動能力極弱。而在大鼠下視丘細胞培養時表現這個無義突變,竟然出現類似加入 Trio 干擾 RNA 會出現的現象;觀察錯義突變 K1431M 與 P1461T 也有類似的結果,其中 K1431M 有嚴重的 ASD 症狀、P1461T 則出現智能障礙(其中 P1461 還有另一個錯義突變 P1461L)。

最後,研究團隊觀察另一個錯義突變 D1368V。這個突變的位置在電腦模擬時並未顯示有與 Rac1 進行互動的可能性,為什麼還要對它進行測試呢?原來,帶有這個突變的病人仍有嚴重的智能障礙。這讓研究團隊對於究竟 D1368V 是怎麼樣的一個突變,非常的感興趣。以 FRET 測試發現,它與 Rac1 之間的互動比野生種更好,且在大鼠下視丘神經元的實驗也顯示,它是一個「活化」突變。研究團隊更進一步的觀察也發現,表現 D1368V 的神經元,其樹突棘(dentritic spines)的密度是表現野生種 Trio 的兩倍多。

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除了自閉症,Trio 突變還與阿茲海默有關 ?!

整體看來,不論功能提高或降低,Trio 的突變都會造成與 ASD 相關的症狀出現。相對的,它的旁系同源基因 Kalirin 雖然在這些 ASD 患者的基因體中沒有找到突變,但之前的研究卻發現,它的功能與阿茲海默症或思覺失調症(schizophrenia,舊稱精神分裂症)相關,而這些疾病都是較晚才發作。而且過去的研究也曾在一位思覺失調症患者其 Kalirin 的 GEF1 區域中,找到一個錯義突變(D1338N)。

在中樞神經系統中,穀胺酸神經突觸傳達大部份快速的興奮性神經傳遞,因此它對於大部份的感覺處理與意識功能擔負了非常重要的角色。這篇論文的研究更加證明穀胺酸神經突觸的重要性,同時也更深入瞭解穀胺酸神經突觸如何影響人類神經發育。由於這些突變都不是同基因型(homozygous,亦即兩份基因只有一份發生突變、另一份正常),因此無義突變與幾個錯義突變的在大鼠下視丘神經元的實驗中所顯示的結果(它們會干擾正常的 Trio 的功能),更顯得分外重要。不過由於這些試驗都是在體外進行,研究團隊認為還需要建立小鼠模型、觀察帶有這些突變的小鼠是否也出現 ASD 症狀或心智障礙,才能更進一步確認。

文 / 葉綠舒

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參考文獻:
Sadybekov A. et. al. An autism spectrum disorder-related de novo mutation hotspot discovered in the GEF1 domain of Trio. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-017-00472-0

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