《来自孤独症儿童的脑蛋白质突变导致小鼠的自闭症样行为改变》

  • 来源专题:生物安全网络监测与评估
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-07-25
  • 在自闭症儿童中编码脑蛋白的从头基因突变已被置于小鼠的大脑中。然后,这些小鼠显示出与人类孤独症谱系障碍或ASD中所见的特定行为非常相似的特定行为的严重改变。

    发表在“临床研究杂志”上的一项研究的这一主要发现“提出了一种潜在的机制基础 - 在至少一部分患者中 - 对ASD和注意力缺陷多动障碍中观察到的一些改变行为的兴奋可能性,或者多动症,“阿拉巴马大学伯明翰分校手术教授Aurelio Galli博士说。

    该研究由相应的作者Galli和Mark Wallace博士领导,博士是范德比尔特大学的神经生物学家和院长。

    研究的脑蛋白是多巴胺转运蛋白,或DAT。某些脑神经元从其轴突末端释放神经递质多巴胺。多巴胺穿过该轴突与相邻神经元之间的连接或突触,触发该神经元的响应。 DAT - 位于传递神经元的膜中 - 具有多巴胺再摄取的作用,将释放的多巴胺从突触泵送回传递神经元,从而终止接收神经元的响应。

    涉及称为纹状体的大脑区域中的多巴胺系统的脑活动是运动活动,动机,注意力和奖励处理的关键调节剂。鉴于多巴胺系统在关键脑功能中的不可或缺的作用,毫无疑问,这种神经递质系统的失调与包括帕金森病在内的神经精神疾病有关。用海洛因,可卡因,速度,尼古丁和其他药物滥用药物;双相情感障碍;多动症;最近ASD。

    Galli,Wallace及其同事研究了患有ASD的儿童中发现的人类DAT基因的突变。该突变在DAT的氨基酸356处产生取代,即从苏氨酸到甲硫氨酸的变化,因此突变体DAT称为DAT T356M。

    之前由俄勒冈健康与科学大学教授Galli和Eric Gouaux博士领导的研究将这种突变引入了果蝇DAT;在苍蝇中,DAT T356M产生了增加的运动活动,恐惧,重复活动和改变的社交互动的异常行为,使人联想到自闭症。细菌研究表明,与正常DAT相比,DAT T356M从内到外翻转,因此DAT T356M异常地将多巴胺从细胞中泵出而不是进入细胞。

    现在Galli,Wallace和M.D./Ph.D.学生Gabriella DiCarlo报道了DAT T356M在哺乳动物大脑中的首次研究。

    与DAT T356M基因突变的两个拷贝纯合的小鼠显示出类似于人ASD和ADHD行为的类似行为的严重变化以及脑生理学的显着改变。 ADHD是ASD的常见合并症。相比之下,与正常小鼠相比,在仅具有一个DAT T356M基因突变拷贝的小鼠中没有观察到变化。

    DAT T356M的小鼠表现出社交互动的丧失,社会支配的丧失和大理石埋藏的减少,实验室老鼠的先天行为是由他们的调查愿望所驱动的。具有DAT T356M的小鼠显示出重复的饲养行为并且增强了如何在旋转杆上保持平衡的学习,这与重复行为的倾向相关。

    如通过增加的自发运动活性所测量的,DAT T356M小鼠也显示出活动过度。值得注意的是,当用阻断DAT活性的两种不同化合物治疗小鼠时,它们的活动过度减少。 “未来的工作应该旨在确定阻断DAT是否可以消除或减轻在DAT T356M动物中观察到的更复杂的行为变化,”Galli说。

    改变的社交行为和活动过度与DAT T356M小鼠脑中多巴胺神经递质信号传导活性的改变有关。在生理水平,研究人员发现受损的纹状体多巴胺神经传递和清除。

    Galli和Wallace在该研究中的合着者,“自闭症多巴胺转运蛋白突变改变纹状体多巴胺神经传递和多巴胺依赖性行为”,Gabriella E. DiCarlo,Fiona E. Harrison和Kyle E. Bundschuh,Vanderbilt大学; Jenny I. Aguilar和Heinrich J. G. Matthies,UAB医学院外科; Alyssa West和Parastoo Hashemi,南卡罗来纳大学; Freja Herborg,Mattias Rickhag和Ulrik Gether,丹麦哥本哈根大学; 和Hao Chen,DRI Biosciences Corporation,Frederick,Maryland。

    ——文章发布于2019年7月23日

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    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2018-05-04
    • 没有一种基因,当其突变时,会导致自闭症。但在过去的10年中,研究人员已经发现了数百种基因变异,似乎会影响大脑发育,从而增加患自闭症的风险。然而,这些科学家主要研究的是DNA的变异,这些变异直接编码了蛋白质组成部分。 现在,一项对所谓的非编码DNA进行的新研究发现,调节基因活动的区域的改变,也可能导致自闭症。令人惊讶的是,这些变化往往是从没有自闭症的父亲那里遗传下来的。 美国华盛顿州立大学的神经科学家和计算生物学家Lucia Peixoto认为:“这是一篇非常好的文章,虽然有挑战性,但让我们思考自闭症遗传学的不同成因,对该领域贡献巨大。” 一直以来,对自闭症遗传风险的研究主要集中于在患者个体基因组中发现如何自发产生突变——而不是从父母那里遗传,这些自发突变破坏了蛋白质编码区域,并导致了自闭症。加州大学圣迭戈分校遗传学家Jonathan Sebat说,这是因为这些零星的突变具有相对较大影响,研究表明这种突变虽然个别罕见,但却造成了大约25%到30%的病例。但基因组中只有2%由蛋白质编码基因组成,那些被称为“垃圾”DNA的非编码部分,迄今在自闭症研究中一直被忽视。 Sebat团队对能调节基因表达的非编码DNA部分特别感兴趣,他们研究了来自829个家庭的全基因组序列,包括自闭症个体、其没有患自闭症的兄弟姐妹和他们的父母。但是,评估个体非编码区DNA碱基变化的影响非常困难,因此,研究人员选择了所谓的大序列DNA结构变体作为考察对象。 每个人在其基因组中仅有数千个结构变异,这样就缩小了分析范围,研究者仅需要检查一小部分基因结构变体即可。他们查找了一般人群变异少于预期的区域,包括在脑发育过程中负责调节基因活性并启动基因转录的位点,并分析了父母对自闭症和非自闭症儿童的影响模式。 然后,科学家研究了这些区域的结构变异是否与自闭症有关。研究人员此前认为,母亲更有可能遗传自闭症促进基因变异。这是因为女性的自闭症发病率要比男性低得多,而且人们认为女性在没有任何自闭症症状的情况下,也可能携带相同的遗传风险因子。但是,当母亲把这些基因传给儿子时,他们不会受到同样的保护,因此会受到影响。 研究小组发现,母亲只把一半的结构变异遗传给了自己的自闭症后代,这表明从母亲那里遗传的变异与自闭症无关。但令人惊讶的是,父亲们确实传递了超过一半的变体。研究人员近日在《科学》杂志上报道说,结果显示,父亲传递了超过50%的变体,因此自闭症儿童可能从父亲那里遗传了风险变异,而不是母亲。 为验证这个结果,Sebat团队随后测试了另外1771个家庭的样本,再次验证了上述结论——自闭症儿童从父亲那里得到了更多的结构变异。 “这与我们之前设想的完全相反。”Sebat说。Peixoto也发现该父系倾向令人惊讶,尽管她已经怀疑在非编码区域中,自闭症的遗传因素会更明显。她提到,与蛋白质编码区的突变相比,调节区域的变异通常有“更小但附加的效应,当影响更小时,你就更有可能把它一代一代传下去”。 基于这些结果,Sebat提出了一个更复杂的关于自闭症如何产生的模型。在这种模型中,母亲遗传影响编码区域的突变,而父亲则会传递影响非编码区域的变体,它们的效果要温和得多,而且可能只在与母亲的风险变异相结合时引起症状。 纽约市西奈山伊坎医学院分子遗传学家Dalila Pinto说,这项研究提供了“非常有见地的初步发现”。她说,她将有兴趣看看这些结果是否会在更大的基因组数据库中得到复制,以及能否发现更多变异。Peixoto表示赞同:尽管这项研究还处于早期阶段,但它“打开了一个不同方向的大门”。
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    • 来源专题:生物安全网络监测与评估
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-06-04
    • 研究人员利用人工智能技术证明,所谓的“垃圾”DNA突变可导致自闭症。该研究于5月27日在Nature Genetics上发表,是第一个将此类突变与神经发育状况联系起来的研究。 该研究由Olga Troyanskaya与Robert Darnell合作领导。 Troyanskaya是纽约市Flatiron研究所计算生物学中心(CCB)的基因组学副主任,也是普林斯顿大学的计算机科学教授。 Darnell是洛克菲勒大学的Robert和Harriet Heilbrunn癌症生物学教授,也是Howard Hughes医学研究所的研究员。 他们的团队使用机器学习来分析1,790名自闭症患者及其未受影响的父母和兄弟姐妹的全基因组。这些人没有自闭症的家族史,这意味着他们病情的遗传原因可能是自发突变而不是遗传突变。 该分析预测了基因组部分中不编码蛋白质的遗传突变的分枝,这些区域经常被误认为是“垃圾”DNA。与非编码突变相关的自闭症病例的数量与禁用基因功能的蛋白质编码突变相关的病例数相当。 Troyanskaya说,这项工作的意义超越了自闭症。 “这是第一次明确证实非遗传性非编码突变导致任何复杂的人类疾病或病症。” 研究报告的共同作者,CCB和普林斯顿的Jian Zhou说,科学家可以应用新研究中使用的相同技术来探索非编码突变在癌症和心脏病等疾病中的作用。 “这使人们对不仅是自闭症,而且还有许多人类疾病的原因有了新的认识。” 只有1%到2%的人类基因组由编码制造蛋白质蓝图的基因组成。这些蛋白质在我们的身体中执行任务,例如调节血糖水平,对抗感染和在细胞之间发送通信。然而,我们基因组的另外98%不是基因死重。非编码区有助于调节基因何时何地产生蛋白质。 在没有自闭症家族史的个体中,蛋白质编码区域的突变占自闭症病例的最多30%。证据表明,引起自闭症的突变也必须发生在基因组的其他地方。 揭示哪些非编码突变可能导致自闭症是棘手的。单个个体可能具有数十个非编码突变,其中大多数是个体独有的。这使得识别受影响人群中常见突变的传统方法无法实现。 Troyanskaya和她的同事采取了新的方法。他们训练机器学习模型来预测给定序列如何影响基因表达。 普林斯顿Troyanskaya实验室的研究科学家Chandra Theesfeld说:“这是对我们在分析中引入的基因研究思路的转变。” “除了研究大群个体共有基因突变的科学家之外,我们在这里应用了一套智能,复杂的工具,告诉我们任何特定的突变将会发生什么,甚至是那些罕见或以前从未观察到的突变。” 研究人员通过将机器学习模型应用于称为Simons Simplex Collection的遗传数据宝库来研究自闭症的遗传基础。 Flatiron Institute的母公司Simons Foundation制作并维护了存储库。 Simons Simplex Collection包含由自闭症儿童,未受影响的兄弟姐妹及其未受影响的父母组成的近2,000个“四重奏”的全基因组。 这些四人组既往没有自闭症的家族史,这意味着非遗传性突变可能是受影响儿童病情的原因。 (这种突变在精子和卵细胞以及胚胎中自发发生。) 研究人员使用他们的模型预测每个自闭症儿童的非遗传性非编码突变的影响。然后,他们将这些预测与孩子未受影响的兄弟姐妹中相同的,未突变的链的影响进行了比较。 “Simons Simplex Collection的设计使我们能够进行这项研究,”周说。 “未受影响的兄弟姐妹是一个内置的控制。” 分析显示,许多自闭症儿童的非编码突变改变了基因调控。此外,结果表明突变影响了大脑中的基因表达和已经与自闭症相关的基因,例如那些负责神经元迁移和发育的基因。 “这与自闭症最有可能在大脑中的表现形成一致,”该研究的共同作者,CCB研究科学家Christopher Park说。 “这不仅仅是突变发生的数量,而是发生了什么样的突变。” 研究人员在实验室实验中测试了一些非编码突变的影响。他们将自闭症儿童中发现的预测高影响突变插入到细胞中,并观察到基因表达的变化。这些变化肯定了模型的预测。 Troyanskaya说她和她的同事将继续改进和扩展他们的方法。最终,她希望这项工作能够改善遗传数据如何用于诊断和治疗疾病和疾病。 “现在,98%的基因组通常被扔掉,”她说。 “我们的工作可以让你思考98%我们能做些什么。” ——文章发布于2019年5月27日