自閉癥(autism)，又稱(chēng)孤獨癥，是一類(lèi)嚴重影響青少年身心健康的精神性疾病。這種疾病在1946年由美國醫生Leo Kanner首先系統闡述，表現為社交溝通障礙、無(wú)法正常與人交流、語(yǔ)言發(fā)育遲緩或障礙并帶有重復刻板行為[1]。一部分自閉癥患者具備超乎常人的能力，例如機械記憶、數學(xué)、繪畫(huà)、音樂(lè )等。在諸多影視作品如《雨人》中，呆板但有超常數學(xué)天才的哥哥就是一個(gè)經(jīng)典的自閉癥病人形象。這種疾病嚴重影響青少年的正常生長(cháng)發(fā)育，患者常常無(wú)法進(jìn)入正常的教育環(huán)境接受教育，以及因為古怪刻板行為遭受社會(huì )誤解等。

　　近年來(lái)，世界各國對自閉癥的重視程度急劇上升，醫學(xué)界不斷更新自閉癥類(lèi)的診斷標準，如The Autism Diagnostic Observation Schedule (ADOS)、The Autism Diagnostic Interview-Revised (ADI-R)。遺憾的是，和諸多精神類(lèi)疾病，如精神分裂、抑郁癥及雙向情感障礙等一樣，對自閉癥的診斷目前還只能依賴(lài)于臨床醫生的主觀(guān)判斷。盡管已經(jīng)有較確鑿的證據表明自閉癥與遺傳因素關(guān)系十分密切，遺傳學(xué)家對自閉癥數十年的研究發(fā)現，與自閉癥有關(guān)的基因多達上百個(gè)，說(shuō)明自閉癥并不是單一基因致病的疾病。在對自閉癥相關(guān)基因的研究中，有幾類(lèi)與自閉癥關(guān)系密切的基因及其編碼蛋白最初都是由生物化學(xué)家首先發(fā)現的，這些生物化學(xué)家進(jìn)而從生物化學(xué)逐漸過(guò)渡到神經(jīng)生物學(xué)研究領(lǐng)域，為自閉癥的神經(jīng)生物學(xué)研究做出了重要貢獻。

　　天使綜合征，又稱(chēng)安格曼綜合征(Angelman syndrome)，是一種從兒童時(shí)期發(fā)病的嚴重發(fā)育性疾病。天使綜合征的發(fā)病率約為1/15 000，患者有癲癇、發(fā)育遲緩、語(yǔ)言發(fā)育障礙及運動(dòng)障礙等嚴重的癥狀，但是常常面露笑容，顯示出天使般的神態(tài)，因此被稱(chēng)為天使綜合征。1965年英國兒科醫生Harry Angelman首先發(fā)現并系統性地描述了這種疾病，這種疾病因此得名。科研工作者和醫生對這種嚴重的疾病的病因進(jìn)行了數十年的研究，發(fā)現仿佛是遺傳性的病因，但是好像又不遵循經(jīng)典的孟德?tīng)柖傻倪z傳法則。研究者發(fā)現，只有患兒攜帶從母親那里遺傳來(lái)的基因突變的時(shí)候，才會(huì )患病，這究竟是為什么呢？

　　時(shí)光又回到了“自閉癥的生物化學(xué)”的第一篇[1]中提到的發(fā)現MeCP2的1993年，當時(shí)美國國立腫瘤研究所的Peter Howley博士的實(shí)驗室發(fā)現了一種人類(lèi)乳頭瘤病毒發(fā)病的奇特機制[2,3]。當乳頭瘤病毒HPV-16感染人類(lèi)宿主細胞后，病毒攜帶的蛋白質(zhì)E6會(huì )招募宿主本身的一種蛋白質(zhì)——E6相關(guān)蛋白(E6-associated protein, E6AP)，進(jìn)而將重要的抑癌蛋白p53進(jìn)行降解，宿主細胞因而失去抵抗能力，被病毒感染以后發(fā)生異常擴增而導致疾病。這種病毒依賴(lài)“內奸”來(lái)關(guān)閉宿主防御能力的機制真是聰明極了，一定是病毒與宿主在漫長(cháng)進(jìn)化過(guò)程中相互斗爭的成果。

　　研究者將這個(gè)宿主內的“內奸”基因克隆出來(lái)，將其命名為E6AP基因。接下來(lái)，在貝勒醫學(xué)院從事醫學(xué)遺傳學(xué)研究的Arthur Beaudet博士發(fā)現這個(gè)基因所屬的染色體區段很可能與天使綜合征有關(guān)，而且，這個(gè)基因位于15號染色體的長(cháng)臂上(15q11-13)，這個(gè)區段有個(gè)非常獨特的特性，即位于這個(gè)區段上的基因，是被做了特殊印記的，生物學(xué)上稱(chēng)作“基因印刻(gene imprinting)”[4]。研究者接著(zhù)用人類(lèi)遺傳學(xué)的研究方法發(fā)現E6AP基因的突變確實(shí)是導致天使綜合征的罪魁禍首[5,6]。

　　讓我們在下一小節介紹基因印刻，先說(shuō)說(shuō)這個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)。E6AP基因編碼的蛋白質(zhì)也非常重要，屬于細胞的回收站——泛素化蛋白酶體的核心組分之一。

　　細胞的蛋白質(zhì)回收工廠(chǎng)——蛋白酶體

　　生物體內的蛋白質(zhì)主要通過(guò)兩種途徑發(fā)生降解：泛素-蛋白酶體途徑和自噬-溶酶體途徑。蛋白質(zhì)降解不僅僅是垃圾處理(清理失活的蛋白質(zhì))，并且也是細胞進(jìn)行正常生理活動(dòng)所需要的，比如細胞周期的進(jìn)行與免疫應答等等。

　　泛素(ubiquitin)是一種廣泛存在于真核生物中的小分子蛋白質(zhì)，只含有76個(gè)氨基酸殘基，在進(jìn)化中高度保守。在泛素-蛋白酶體途徑中，存在3種主要的酶——E1、E2和E3。E1與E2負責將泛素蛋白進(jìn)行活化與轉移準備，而E3(泛素連接酶)則負責將活化的泛素連接到即將被降解的蛋白質(zhì)上(圖1)[7]。這樣被標記好的蛋白質(zhì)就被送到細胞的蛋白質(zhì)回收再利用工廠(chǎng)，進(jìn)行分解反應。人體細胞中存在2種E1、至少25種E2、以及超過(guò)300種E3，泛素化修飾過(guò)程中對底物蛋白質(zhì)的特異性識別就是由眾多的E3完成的。

　　這個(gè)“內奸”基因E6AP編碼的蛋白質(zhì)，就是一個(gè)重要的E3蛋白，因此E6AP又得到了另外一個(gè)名字——泛素蛋白連接酶3A(Ubiqutin-protein ligase 3A, Ube3a)。這個(gè)“內奸”基因編碼的蛋白質(zhì)在沒(méi)有外敵入侵的時(shí)候，老老實(shí)實(shí)并不做壞事；但是在病毒入侵的時(shí)候，卻幫助病毒干掉了細胞的守衛——抑癌基因p53，導致機體的細胞異常增殖而產(chǎn)生腫瘤。這個(gè)重要的機制與天使綜合征的產(chǎn)生是否有關(guān)系呢？上文提到的貝勒醫學(xué)院的Beaudet博士團隊在1998年發(fā)現，Ube3a基因的突變也確實(shí)可以導致在神經(jīng)元中積累過(guò)多的p53蛋白[8]。

　　那么在神經(jīng)元中，Ube3a是否也行使著(zhù)類(lèi)似的功能，與某些入侵的外敵里應外合對p53蛋白進(jìn)行降解？在神經(jīng)元中，這個(gè)過(guò)程仿佛是正常生理活動(dòng)所需要的，因為Ube3a的突變可導致過(guò)多的p53蛋白堆積而導致疾病。Ube3a蛋白在神經(jīng)元中的具體功能是神經(jīng)生物學(xué)的一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，正在被世界各國科學(xué)家們研究著(zhù)。

　　神秘的基因印刻與過(guò)猶不及

　　基因印刻是生物學(xué)家在20世紀80年代發(fā)現的一種奇特的現象。在有性繁殖的高等生物中，雖然父母共同對子代貢獻50%的遺傳物質(zhì)，但是這看上去對等的遺傳物質(zhì)對子代的貢獻卻是不同的。有一些基因在子代中的活性取決于它們是來(lái)自父本還是母本。比如這個(gè)E6AP/Ube3a基因所在的15q11-13染色體區段就是著(zhù)名的基因印刻區域。子代中來(lái)自母本的該染色體區段活性正常，但是來(lái)自于父本的染色體區段則被沉默，因此如果來(lái)自母本的這個(gè)染色體區段上的基因帶有突變，就會(huì )導致機體喪失該基因的正常功能。值得一提的是，目前在人類(lèi)基因組中有近200個(gè)被印刻的基因，且大多數的基因印刻發(fā)生在大腦中，就是說(shuō)被印刻的基因的父本和母本拷貝在其他組織中都是活性等同的，只有在神經(jīng)系統中才會(huì )發(fā)生父本或母本被特異性沉默的現象。

　　天使綜合征的患病兒童絕大部分都是因為機體中來(lái)自母本的Ube3a基因發(fā)生了突變，因此不能維持Ube3a的正常功能，從而導致了疾病。那么來(lái)自父本的Ube3a基因為什么要被沉默呢？難道是細胞中的Ube3a蛋白水平需要被維持在一定水平？1997~1998年，一系列的遺傳學(xué)研究發(fā)現，包括Ube3a基因在內的15q11-13基因印刻區段(而且是具有活性的母本拷貝)如果發(fā)生染色體的倍增，則會(huì )導致患者出現自閉癥的癥狀[9,10]。這說(shuō)明Ube3a的過(guò)多會(huì )對機體產(chǎn)生過(guò)猶不及的破壞作用。

　　我們在“自閉癥的生物化學(xué)”的第一篇[1]中就知道MeCP2蛋白對于大腦的功能也是過(guò)猶不及的。MeCP2蛋白編碼基因發(fā)生突變會(huì )導致瑞特綜合征，而倍增則直接導致自閉癥。從Ube3a對大腦的作用我們又看到了類(lèi)似的現象：神經(jīng)系統的功能往往需要準確的蛋白質(zhì)水平才能維持，過(guò)多或過(guò)少都不行。這與神經(jīng)系統發(fā)揮功能的基本原理有關(guān)，神經(jīng)系統中神經(jīng)元之間的通訊單元是突觸，突觸的功能依靠數百種蛋白質(zhì)進(jìn)行維持，蛋白質(zhì)過(guò)多或過(guò)少都會(huì )影響突觸的功能。我們在“自閉癥的生物化學(xué)”的下一篇就會(huì )談及突觸蛋白質(zhì)對自閉癥的直接影響。

　　喚醒沉默的基因

　　面對罹患天使綜合征的孩子們可愛(ài)的笑臉，無(wú)數的醫生和科學(xué)家都在試圖找到能夠改善這些患者各種嚴重癥狀的良藥。他們體內來(lái)自母親的Ube3a基因發(fā)生了突變，而來(lái)自父親的Ube3a基因則被生物體自身的機制沉默著(zhù)。我們是否能再一次逆轉基因決定的命運，喚醒沉睡的父本Ube3a基因呢？

　　2011年，在美國北卡萊羅那大學(xué)教堂山分校Philpot教授實(shí)驗室從事博士后研究工作的黃憲松博士(來(lái)自中國臺灣)從事了數年的研究工作后終于看到了曙光。研究者將Ube3a基因被特異性剔除的小鼠作為研究天使綜合征的動(dòng)物模型，這些缺失了Ube3a基因的小鼠會(huì )發(fā)生癲癇、學(xué)習與記憶障礙、運動(dòng)障礙等與患天使綜合征的小朋友類(lèi)似的一系列癥狀。黃憲松博士將從缺失了母本Ube3a基因的小鼠中取出的神經(jīng)元養在培養皿中，用多達2 306種的化合物進(jìn)行篩選，觀(guān)察哪種化合物能夠打開(kāi)父本的Ube3a基因。

　　說(shuō)到這，我們先簡(jiǎn)單地說(shuō)說(shuō)父本的Ube3a基因被沉默的生物學(xué)機制是什么。在基因組上基因被沉默的最普遍的方式是DNA區段被甲基化修飾，比如我們第一篇文章[1]介紹的MeCP2，就是一個(gè)用結合甲基化DNA的方法來(lái)沉默目標基因的蛋白質(zhì)。因此研究者一開(kāi)始以為父本的Ube3a也是被甲基化的機制進(jìn)行沉默的。但是當研究深入進(jìn)行以后，研究者卻發(fā)現了完全不同的方法。在染色體的15q11-13區段與父本Ube3a基因反向的位點(diǎn)會(huì )表達一個(gè)非編碼RNA，這個(gè)非編碼RNA會(huì )一直產(chǎn)生覆蓋父本Ube3a基因的部分，導致父本的Ube3a基因無(wú)法正常表達。這種反義RNA介導的基因沉默機制就是生物體用來(lái)在大腦中關(guān)閉父本Ube3a基因表達的方法(圖2)[11]。

　　圖2 天使綜合征患者的Ube3a基因

　　黃憲松博士進(jìn)行了2 000多種化合物的篩選之后，驚喜地發(fā)現，有一類(lèi)化合物居然可以打開(kāi)沉默的父本Ube3a基因[12]！這類(lèi)化合物叫做DNA拓撲異構酶抑制劑，是20世紀90年代上市的一系列抗癌藥。DNA拓撲異構酶是腫瘤細胞在快速增殖的過(guò)程中必需的一些因子，因此拓撲異構酶的抑制劑便被發(fā)現有抗癌功能。但是如同其他的抗癌劑一樣，拓撲異構酶抑制劑對人體也會(huì )產(chǎn)生惡心、嘔吐、免疫系統受損等嚴重的副作用。

　　黃憲松博士首先發(fā)現一系列的拓撲異構酶抑制劑可以成功地在培養皿中打開(kāi)神經(jīng)元中被沉默的父本Ube3a基因，而且原理就是這些拓撲異構酶的抑制劑可以阻斷那個(gè)抑制了父本Ube3a基因表達的反義非編碼RNA的產(chǎn)生。黃博士接下來(lái)用拓撲異構酶抑制劑對缺失了母本Ube3a基因的小鼠進(jìn)行了實(shí)驗。他們發(fā)現用靜脈注射和腦內直接定點(diǎn)注射的方法都可以有效地打開(kāi)被沉默的父本Ube3a基因，而且產(chǎn)生的Ube3a蛋白具有正常功能。科學(xué)家們正在研究是否可以用拓撲異構酶抑制劑來(lái)緩解Ube3a基因敲除小鼠的各種類(lèi)人類(lèi)天使綜合征的癥狀。因為拓撲異構酶抑制劑本身對人體的毒性也很大，因此盡量減小藥物的毒性及增強有效性都是亟需解決的問(wèn)題。

　　結束語(yǔ)

　　天使綜合征是與自閉癥譜系障礙一樣嚴重影響青少年身心健康的一類(lèi)發(fā)育性神經(jīng)系統疾病，而且天使綜合征的致病基因Ube3a也與自閉癥有著(zhù)非常密切的關(guān)系。因此，對天使綜合征的科學(xué)研究對自閉癥的神經(jīng)生物學(xué)研究有著(zhù)非常重要的借鑒意義。大腦中的基因印刻現象一直是一個(gè)未解之謎，高等生物體為什么要在大腦中特異性地產(chǎn)生如此之多的基因印刻？這些被印刻的基因與大腦的正常功能有什么關(guān)系？基因印刻與自閉癥譜系障礙有什么關(guān)系？這些都是世界各國科學(xué)家正在研究的課題。

　　從拓撲異構酶抑制劑對天使綜合征小鼠模型的作用中，我們可以看到人類(lèi)戰勝各種遺傳性疾病的曙光已經(jīng)到來(lái)。然而科學(xué)發(fā)現并非可以一蹴而就，往往需要數年、數十年的基礎研究工作。隨著(zhù)科學(xué)與醫學(xué)的飛速進(jìn)步，我們毫不懷疑在不遠的將來(lái)，人類(lèi)會(huì )攻克絕大部分的嚴重疾病。當然這需要全社會(huì )對基礎科學(xué)研究的非功利性的、長(cháng)遠的支持，讓科學(xué)工作者在探索未知世界的同時(shí)，造福人類(lèi)社會(huì )。