ITPR1基因與自閉癥譜系障礙關(guān)系的研究進展

白一鐸，王宇，劉建紅

(蚌埠醫(yī)學(xué)院 a.臨床醫(yī)學(xué)院；b.檢驗醫(yī)學(xué)院生化與分子生物學(xué)教研室，安徽 蚌埠 233030)

自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)是一組具有多樣性的神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病，核心癥狀為早發(fā)性社交困難和異常重復(fù)的行為及興趣，常伴發(fā)其他精神神經(jīng)發(fā)育障礙[1]。臨床診治ASD缺少特異性的生化診斷指標和對核心癥狀的藥物治療手段[2]，該病需通過長時間全面行為觀察進行診斷并使用行為療法以及抗精神病藥進行治療[3-4]，給患者家庭和社會帶來沉重負擔(dān)。肌醇1，4，5-三磷酸受體1型(inositol 1，4，5-trisphosphate receptor type 1，ITPR1)參與細胞內(nèi)鈣信號活動，與多個ASD易感基因?qū)е翧SD的生物學(xué)過程相關(guān)，與核心癥狀有顯著關(guān)聯(lián)，且其編碼基因的罕見單基因突變是ASD的可能致病因素[5]。ASD患者中可能普遍存在三磷酸肌醇(inositol triphosphate，IP3)介導(dǎo)的鈣離子信號通路障礙，并且精神藥物碳酸鋰可以通過影響ITPR1功能治療精神疾病[6]。本文對ITPR1在ASD的遺傳、生物功能改變和診斷及治療中的應(yīng)用前景三方面進行綜述，以期為進一步相關(guān)研究提供參考。

1 ASD

ASD是一種常見的高度遺傳的異質(zhì)性神經(jīng)發(fā)育障礙，其核心癥狀為早發(fā)性社交障礙和異常重復(fù)的行為興趣，常伴隨癲癇、焦慮和抑郁等精神神經(jīng)障礙[1]。美國疾病控制中心在2014年和2016年發(fā)布的報告中顯示，8歲兒童的患病率約為1/68，但2018年的報告數(shù)據(jù)約為1/59，提示ASD的患病率逐漸上升[7]。ASD患者的異質(zhì)性主要體現(xiàn)在2個方面：一方面ASD存在遺傳基因的多樣性，西蒙斯基金會自閉癥研究計劃的人類基因部分最新數(shù)據(jù)(https://gene.sfari.org/database/gene-scoring/)提供了可能與ASD相關(guān)的1 000個基因，體現(xiàn)了ASD的遺傳異質(zhì)性。另一方面，ASD患者臨床表現(xiàn)多樣，由核心癥狀及伴隨癥狀組成，不同患者可能存在不同的伴隨癥狀，同時患者行為特征也因年齡、語言水平和認知能力的不同而有所不同；ASD患者對臨床治療的反應(yīng)也呈現(xiàn)出多樣性，如可根據(jù)ASD患者對維生素B6治療的反應(yīng)將其分為多個亞組[8]，證明不同ASD患者可能對同一治療方案有不同的反應(yīng)。

ASD遺傳研究發(fā)現(xiàn)，其易感基因編碼蛋白質(zhì)大都參與突觸結(jié)構(gòu)與功能、染色質(zhì)修飾和基因表達調(diào)控。ASD作為高度遺傳的異質(zhì)性神經(jīng)發(fā)育障礙疾病，患者可能存在效應(yīng)較小的常見突變和效應(yīng)較大的罕見突變。罕見突變在人群中比率較低，然而存在罕見突變的患者在臨床中更常見，這在臨床ASD患者罕見突變個體顯著增多中有體現(xiàn)[9]。因此，研究ASD罕見較大效應(yīng)的突變與ASD發(fā)生發(fā)展之間的關(guān)系，可以促進對ASD發(fā)生發(fā)展的了解，推動診斷和治療技術(shù)的發(fā)展。

ASD的早期干預(yù)對ASD患者至關(guān)重要[10-11]。ASD的診斷依賴行為調(diào)查與行為測試，依靠患兒家長觀察和心理醫(yī)生、兒科醫(yī)生以及神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生的綜合評估[3]。ASD患兒可能在早期出現(xiàn)癥狀，但因社交需求不足，不一定表現(xiàn)。因此即使早期對患兒進行臨床癥狀監(jiān)測與評估，仍可能發(fā)生延遲診斷情況[12]。由于觀察過程耗時，且ASD存在高度異質(zhì)性和醫(yī)療人員觀察存在主觀性，患兒往往不能被及時診斷。ASD的生物標志物可被用于ASD患者的篩查，在癥狀出現(xiàn)前作出診斷[13]。生物標志物也可提高臨床診斷的可靠性與有效性，確定干預(yù)方案。

目前ASD治療方法主要包括教育實踐、發(fā)展療法和行為療法(如應(yīng)用行為分析)，這些治療方法旨在通過全面的行為干預(yù)來達到改善患者核心癥狀的目的[4]。但其實施方法復(fù)雜，需要多方專業(yè)人員參與，在許多地區(qū)并不可行。非典型性抗精神病藥利培酮和阿立哌唑是僅有的美國食品和藥品管理局批準用于改善ASD合并癥狀的藥物[7]，迄今為止還無針對ASD核心癥狀有效的藥物干預(yù)治療措施[2]。

2 ITPR1基因與ASD發(fā)病風(fēng)險的關(guān)聯(lián)

ITPR1基因在ASD可能的致病基因中作為罕見的單基因突變被多次報道。2014年自閉癥測序協(xié)會通過對15 480個DNA樣本庫進行全外顯子組測序，鑒定出ITPR1基因可能造成破壞的新發(fā)錯義突變[14]。Iossifov等[15]通過對SSC數(shù)據(jù)庫中的全外顯子組測序，在ASD先證者中鑒定出1個ITPR1基因錯義突變，可能與疾病的發(fā)生有關(guān)。Wang等[16]為驗證先前研究發(fā)表的ASD相關(guān)新發(fā)突變是否適用于中國患者，對來自中國人群自閉癥臨床和遺傳資源樣本庫的自閉癥先證者進行靶向測序，發(fā)現(xiàn)了可能造成損害的ITPR1基因新發(fā)錯義突變。證明了ITPR1基因變異在不同人種的ASD患者之間的普遍性。

ASD存在遺傳異質(zhì)性和臨床表現(xiàn)異質(zhì)性，通過將ASD患者不同的臨床表現(xiàn)和基因型相對應(yīng)，可以提高發(fā)現(xiàn)ASD易感基因的可能[17]。Narita等[18]以自閉癥診斷訪談量表評分和對維生素治療反應(yīng)的臨床治療史為數(shù)據(jù)，應(yīng)用K-means進行分類，將SSC數(shù)據(jù)庫的患者進行分類，最終將ASD患者分為多個亞型，進行聚類全基因組關(guān)聯(lián)分析。實驗確定了35個顯示與ASD相關(guān)的基因內(nèi)SNP位點，其中包括ITPR1基因?？梢?，ITPR1基因的表達和功能異常與ASD發(fā)生存在關(guān)聯(lián)。

3 ITPR1與ASD發(fā)病基礎(chǔ)

ITPR1通過與IP3結(jié)合調(diào)控細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣的釋放，與細胞膜鈣通道一起參與細胞內(nèi)鈣信號的調(diào)控。經(jīng)由IP3參與的細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的配體(如谷氨酸)與其受體結(jié)合(如分泌型谷氨酸受體)，通過激活與受體偶聯(lián)的G蛋白激活磷脂酶C，G蛋白激活的磷脂酶C再分解膜脂質(zhì)中的磷脂酰肌醇二磷酸產(chǎn)生IP3和二酰甘油，進而IP3與ITPR1結(jié)合使細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣釋放。通過細胞膜鈣通道進入細胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子也可以和ITPR1結(jié)合引發(fā)鈣誘導(dǎo)鈣釋放(calcium induced calcium release，CICR)，導(dǎo)致細胞內(nèi)鈣離子的進一步升高。進入細胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子不僅可以作為帶電離子影響細胞膜的電位直接改變細胞的功能，也可以與二酰甘油和細胞膜中的磷脂酰絲氨酸一起在膜的內(nèi)側(cè)面結(jié)合并特異地激活細胞質(zhì)中的蛋白激酶C，進一步磷酸化下游功能蛋白改變生理功能，或者與鈣調(diào)蛋白形成Ca2+-CaM復(fù)合物調(diào)節(jié)細胞功能。

通過這一方式，ITPR1將細胞外信號轉(zhuǎn)化為細胞內(nèi)鈣信號，參與細胞內(nèi)鈣信號的形成，其表達和功能在突觸結(jié)構(gòu)與功能的形成和維持中起重要作用[19]。鈣信號異常或紊亂以及突觸結(jié)構(gòu)異常和功能紊亂與ASD核心癥狀有關(guān)[5]。

3.1 ITPR1參與影響神經(jīng)細胞突觸結(jié)構(gòu)鈣作為第二信使參與傳遞軸突導(dǎo)向信號，調(diào)節(jié)生長錐的運動以及生長方向[20]，影響突觸形成。在皮質(zhì)神經(jīng)元中，自發(fā)的鈣瞬變以頻率依賴的方式調(diào)節(jié)軸突的生長[21]。最近研究發(fā)現(xiàn)丙戊酸鈉誘導(dǎo)的自閉癥模型小鼠大腦海馬區(qū)ITPR1表達水平低于正常小鼠，伴隨海馬錐體神經(jīng)元樹突棘密度和PSD95蛋白表達水平下降，證明ITPR1功能改變影響海馬錐體神經(jīng)元發(fā)育和突觸形成可能是其參與ASD發(fā)生的機制之一[22]。

ASD易感基因通過影響ITPR1表達或功能導(dǎo)致ASD的發(fā)生。應(yīng)用可以誘導(dǎo)軸突分支形成的netrin-1時，軸突整體或局部的鈣瞬變平均增加了4倍。netrin-1停用時鈣離子活動回到基線水平，在阻斷細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的IP3受體后，鈣離子活動減少使netrin-1誘導(dǎo)產(chǎn)生的軸突分支嚴重減少[23]。最近一項針對自閉癥及多種精神疾病的全基因關(guān)聯(lián)研究的跨性狀薈萃分析在編碼netrin-1受體的DCC基因中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)含子SNP，在MTAG分析后達到ASD的全基因組顯著性，證明ITPR1參與軸突分支的形成[24]。對Shank1突變小鼠研究發(fā)現(xiàn)，Shank1突變小鼠表現(xiàn)出ASD核心癥狀，未發(fā)現(xiàn)伴隨癥狀[25]。小鼠關(guān)鍵腦區(qū)(額葉皮質(zhì)、海馬和小腦皮質(zhì))出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，并伴隨mGluR1蛋白、ITPR1蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子釋放持續(xù)下調(diào)，Shank1基因與ASD發(fā)生發(fā)展顯著相關(guān)[26]，表明ITPR1表達和功能的改變與自閉癥核心癥狀相關(guān)，可能是ASD診斷和治療的潛在靶點。

3.2 ITPR1參與影響神經(jīng)細胞興奮傳遞ITPR1基因功能障礙影響神經(jīng)細胞突觸的形成以及正常結(jié)構(gòu)的維持。與ASD發(fā)生密切相關(guān)的五羥色胺通過ITPR1信號通路調(diào)節(jié)軸突興奮性[27]。Zahratka等[28]研究發(fā)現(xiàn)，野生型線蟲ASH神經(jīng)元在受1-辛醇刺激后電壓門控鈣通道開放，使細胞外鈣離子進入細胞質(zhì)通過CICR機制引起ITPR1介導(dǎo)的鈣瞬變。在正常表型的線蟲中，鈣離子水平在10 s內(nèi)升高達峰值后，ASH神經(jīng)元對1-辛醇刺激脫敏，鈣離子水平開始下降。在存在ITPR1功能減弱突變的itr-1(sa73)個體中，由ITPR1介導(dǎo)的鈣離子變化幅度減少為正常表型的50%，ASH細胞對1-辛醇脫敏的速率變得更慢，其細胞內(nèi)鈣離子水平可以響應(yīng)撤去1-辛醇刺激回到基線。Williams等[29]研究發(fā)現(xiàn)，線蟲ASH神經(jīng)元傷害感應(yīng)增敏劑五羥色胺可以與G蛋白偶聯(lián)受體相結(jié)合，通過上文介紹的ITPR1受體參與的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑產(chǎn)生Ca2+-CaM復(fù)合物，Ca2+-CaM復(fù)合物結(jié)合并激活鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶，鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶使L型電壓門控鈣通道去磷酸化受到抑制，增強線蟲對傷害刺激的敏感性，證明ITPR1在神經(jīng)元興奮性和興奮傳遞的調(diào)節(jié)中起重要作用。

ITPR1除了影響神經(jīng)細胞對刺激和神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的反應(yīng)外，也與神經(jīng)細胞長時程增強有關(guān)。在對Ataxin-2基因擴增小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，Ataxin-2異常小鼠小腦浦肯野細胞中ITPR1與鈣調(diào)蛋白依賴性激酶2-α進行性下降，而鈣調(diào)蛋白依賴性激酶2-α調(diào)節(jié)突觸長時程增強[30]，說明ITPR1功能改變可以通過影響細胞內(nèi)鈣離子信號影響軸突興奮性，進而引起突觸傳遞異常，導(dǎo)致ASD的發(fā)生。

4 ITPR1基因與ASD的診斷和治療

4.1ITPR1基因與ASD的診斷ASD早期干預(yù)對患者預(yù)后改善有顯著作用，ASD患者臨床表現(xiàn)的異質(zhì)性和診斷過程的復(fù)雜性使得ASD患者很少在早期被診斷。Schmunk等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在3種單基因ASD模型患者的成纖維細胞中，IP3介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣釋放減少，同時與對照細胞相比，模型患者的成纖維細胞中由IP3參與形成的細胞內(nèi)鈣活動也受到影響。進一步研究將試驗對象從罕見的單基因ASD患者擴展到典型散發(fā)性ASD患者，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)病例中IP3介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣釋放降低，表明ASD患者存在普遍的IP3介導(dǎo)的鈣離子信號通路障礙[6]。有研究顯示，ITPR1的功能抑制在ASD的發(fā)生發(fā)展中起到關(guān)鍵的“中樞”作用，可以將其用作診斷的生物標志以及新藥研發(fā)的潛在目標[5,32-33]。通過對更大范圍和更多種基因型ASD患者的ITPR1功能變化進行研究，發(fā)現(xiàn)ITPR1的功能變化可能與ASD發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，這將為ASD的診斷提供客觀且簡單易行的生物標志物。

4.2ITPR1基因與ASD的治療非典型性抗精神病藥利培酮和阿立哌唑是僅有的美國食品和藥品管理局批準用于改善ASD合并癥狀的藥物[7]。非典型性抗精神病藥可以對ASD相關(guān)合并癥狀進行控制，但不能治療核心缺陷，迄今為止還無針對ASD核心癥狀的有效藥物治療措施[2]。ITPR1參與的鈣離子信號通路與ASD核心癥狀存在顯著關(guān)聯(lián)[5]。因此，調(diào)節(jié)ITPR1參與的細胞內(nèi)鈣離子信號通路的藥物可能用于治療存在ITPR1功能改變的ASD患者的核心癥狀。用于治療精神疾病的藥物碳酸鋰可以通過調(diào)節(jié)ITPR1參與的細胞內(nèi)鈣離子信號通路改善和治療精神疾病癥狀。研究發(fā)現(xiàn)，鋰可以通過影響IP3阻斷多巴胺的傳播，達到治療雙相情感障礙的效果，并且鋰通過非競爭性抑制肌醇單磷酸酶和肌醇多磷酸1-磷酸酶使IP3的水平下降，通過IP3調(diào)節(jié)許多已知的與神經(jīng)疾病相關(guān)的通路，如自噬[34]。Schlecker等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在雙相情感障礙患者前額葉皮質(zhì)中增加的神經(jīng)元鈣傳感器-1可以和ITPR1結(jié)合并增加其通道活性，而鋰則可以幾乎抵消神經(jīng)元鈣傳感器-1的這一作用，說明鋰可以通過不同通路影響ITPR1的活性，使其活性降低或由增高恢復(fù)至正常。目前對于鋰影響ITPR1參與的細胞內(nèi)鈣信號的研究較少，對其影響方式仍不清楚。如能進一步了解鋰影響ITPR1活動的機制，則有助于研究鋰治療ASD的可能性。

5 展望

目前對于ITPR1基因與ASD的關(guān)系還未完全闡明，但多個ASD易感基因通過影響ITPR1表達與功能使突觸結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)障礙，表明ITPR1基因的改變與ASD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。隨著ASD患者癥狀分類的全外顯子測序和ASD全基因組關(guān)聯(lián)分析的進行，ITPR1基因與ASD的關(guān)系或許可以進一步闡明。臨床上暫無以ITPR1為靶點診斷或治療ASD的相關(guān)策略。ITPR1表達和功能改變已經(jīng)在多種基因型的ASD患者中發(fā)現(xiàn)，同時研究證明鋰可以通過間接調(diào)節(jié)ITPR1的功能達到治療和改善精神疾病癥狀的目的。進一步闡明ITPR1功能改變與ASD之間的關(guān)系以及鋰如何影響ITPR1的功能，有助于研究診斷ASD的生物標志物以及碳酸鋰治療ITPR1功能改變的ASD患者的可能性。