Cell ： 外显子组测序探究自闭症相关的神经发育和功能变化

来源：BioArt

撰文 | 雪月

自闭症（autism spectrum disorder，ASD）风险的主要来源是罕见的遗传变异和全新变异【1】。这些风险基因可以单独或整体地作为了解ASD的基础【2】。然而，关于ASD中神经发育改变和神经生理学改变的根本问题（包括何时发生，在何处以及在哪种细胞类型）仍然难以解决。

2020年1月23日，美国纽约西奈山伊坎医学院的Joseph D. Buxbaum课题组在Cell上发表题为Large-Scale Exome Sequencing Study Implicates Both Developmental and Functional Changes in the Neurobiology of Autism的文章。作者进行了迄今为止ASD相关的最大的外显子组测序研究。该研究总共收集了35584个样本，其中包括11986个ASD的样本。作者利用高级贝叶斯分析方法，共识别102个与ASD相关的基因。作者通过分析人类皮层单细胞转录组数据中这102个基因表明，从胚胎发育开始，这102个基因在兴奋性和抑制性神经元中富集表达。这也表明这些基因的功能是可以分离的。

通过数据的质量控制，作者首先分析了35,584样本的全外显子序列（WES）数据：21,219个基于家庭的样本（6,430个ASD病例， 2,179个未受影响的兄弟姐妹，以及父母双方）和14,365个病例和对照样本（5,556个ASD病例，8,809个对照）。

从基于家庭的数据集中，在蛋白质编码外显子中发现了9,345种罕见的新变异。63％的病例和59％的未受影响兄弟姐妹携带至少一个这样的变体。检测得到的常染色体中外显子新变异解释了ASD变异的1.92％。

作者发现ASD在男性中比女性更普遍，而这与以前的观察一致。作者观察到PTVs（protein-truncating variants，指nonsense, frameshift和essential splice site variants)）在受影响女性（n = 1,097）相对于受影响男性（n = 5,333）中存在两倍富集。有一种假说称，风险突变基因对男性的影响大于对女性的影响，所以女性需要更高的变异载量才能达到与男性相同的诊断阈值。这正与女性保护效应模型一致。

作者接下来估算了男女不同类别变异综合在一起，并利用它们促进风险基因的发现。在先前的风险基因发现工作中，此课题组使用了TADA （transmitted and de novo association）模型整合了新的变异或来自病例和对照人群的蛋白质截断和错义突变体，并通过FDR对常染色体基因进行分层和关联。最终作者确定了102个风险基因，称为ASD基因。为了确定102个ASD基因是否可以作为基因组中疾病区域内的驱动基因，研究人员通过9个已知相关基因列表中的51个与ASD或ASD表型（包括神经发育迟缓 NDD）相关的常染色体基因组疾病基因座中共有823个蛋白质编码基因与102个ASD基因进行比对。发现在51个基因座中，有12个涵盖了总共13个ASD基因。这个发现表明基因组疾病位点可能是由多个基因赋予的风险导致的，其中可能包括影响力较小的基因，而我们无法检测得到的。

进一步分析发现ASD的 GWAS信号并未富集，这可能是由于导致ASD的风险往往会发生变化影响了不同的基因，或者也可能是因为目前研究缺乏检测ASD和GWAS两者融合的样本量。将十三个基因在ASD与NDD的样品中检测相关性，发现ASD和其他神经疾病之间存在明显的异质性。

以前的分析将ASD基因分为两类：一种是参与基因表达调控的基因（gene expression regulation GER），包括染色质调节剂和转录因子，另一种是参与神经元沟通（neuronal communication NC）的基因，包括突触功能。将这102个基因与大量的转录组测序结果结合分析发现，归类于GER基因显示出明显的产前表达偏好，在胎儿发育的早期至晚期达到最高水平，而归类于NC基因显示出产后表达偏好，在胎儿中晚期和婴儿之间的表达最高。利用现有的来自产前人前脑的4261个细胞的单细胞RNA-seq数据集中，102个ASD基因主要在成熟的抑制和兴奋神经元中高表达。

这项研究表明深入分析与ASD基因共表达的基因，探究它们相互作用或受其调控的基因可能有助于了解与风险基因相关的基因的聚类和功能。ASD或许是通过这些不同的神经生物学轨迹之间的表型趋同而产生，还需进一步剖析这种趋同的本质。这些发现也共同构成了阐明ASD神经生物学的重要一步，很可能是理解构成ASD表型基础的神经生物学的关键。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.12.036

参考文献

1, Buxbaum, J.D., Daly, M.J., Devlin, B., Lehner, T., Roeder, K., and State, M.W.; Autism Sequencing Consortium (2012). The autism sequencing consortium: large-scale, high-throughput sequencing in autism spectrum disorders. Neuron 76, 1052–1056.

2, Chang, J., Gilman, S.R., Chiang, A.H., Sanders, S.J., and Vitkup, D. (2015). Genotype to phenotype relationships in autism spectrum disorders. Nat. Neurosci. 18, 191–198.