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4月2日世界自闭症日 | 蛋白组学为自闭症攻克带来什么?

发布时间: 2019-04-02
浏览量: 27
来源:


特刊:世界自闭症日

原创:景杰学术



2019年4月2日是第12个“世界自闭症关注日”,今年的主题是“消除误区·倡导全纳”。今天我们为大家带来的是近期蛋白质组学在自闭症领域研究进展,让我们共同期待各界对自闭症的深入研究,并将有效的研究成果落到实处,真正惠及患者。


看点

01

什么是ASD患者?


自闭症,又称“儿童孤独症”,准确的说是孤独症谱系障碍(ASD,Autism Spectrum Disorder ),是一种先天脑部功能受损伤而引起的发展障碍,表现为社会性交流和沟通的障碍,重复刻板行为。


根据世界卫生组织的统计表明,近年自闭症在世界范围内的发病率约为1.2%。在中国,自闭症人群占人口总数的1%左右,当前中国自闭症患者数量已超过1000万,每年新增20万病例,其中14岁以下的儿童超过300万。


研究显示,ASD是一种致残性很高的疾病,50%左右的孤独症患者社会功能严重受损,需要终生照顾和养护。这300万名自闭症儿童的家庭饱受着这种障碍的煎熬。


看点

02

自闭症是如何发生的?


自闭症是个“疑症”,尽管这种疾病如此流行,但目前研究人员并不清楚诱发该疾病的原因以及如何有效治疗该病。随着蛋白质组学技术的发展及后基因组学时代的到来,自闭症的研究逐渐从基因转移到与疾病直接相关的蛋白质。


运用蛋白质组研究自闭症的思路多为首先运用组学分析寻找疾病相关的蛋白质,随后研究分析导致疾病发生的分子机理,而这往往以蛋白质翻译后修饰或蛋白质互作有关。


例如:III型腺苷酸环化酶(AC3)与重度抑郁症(MDD)、自闭症谱系障碍(ASD)有遗传关联。然而,关于AC3如何在大脑中起作用的知之甚少。2019年2月13日发表在Frontiers in Cellular Neuroscience杂志上的研究揭示了大脑中某些蛋白质与自闭症之间的关系[1]。新罕布什尔大学的研究人员运用基于质谱的磷酸化组学对比分析不同性别的自闭症模型小鼠大脑的差异。


研究发现204种蛋白具有性别偏向的磷酸化修饰,其中167种蛋白在女性中相对于男性的表达增加。有趣的是,在204种偏向性别的磷酸蛋白中,31%与孤独症有关,包括dlg1、dlgap2、syn1、synggap1、ctnna1、ctnnd1、ctnnd2、pkp4和arvcf。因此,这项研究也提供了第一个磷酸化组学证据,表明性别偏向的磷酸化修饰可能与自闭症的性别二态性有关,提出了创造新治疗策略的有希望的可能性。

4月2日世界自闭症日 | 蛋白组学为自闭症攻克带来什么?

 自闭症的磷酸化组学分析


硫酸乙酰肝素聚糖(heparan sulfate,HS)富集在神经突触中,HS缺失会引发自闭症的表型。然而,目前关于HS作用于突触功能的分子机制一直以来没有得到令人信服的解释。2018年6月,加拿大英属哥伦比亚大学科学家在CELL上发文报道突触核心蛋白重要翻译后修饰,首次证实了突触黏附分子中的核心分子neurexin是新的HS修饰蛋白,并且HS修饰对neurexin的功能不可或缺。此成果为HS与自闭症的遗传关联性提供了坚实的分子基础[2]


该研究首次报道移除单一蛋白neurexin1上的HS能够造成了神经突触结构和功能的显著破坏,也是目前唯一发现的对突触核心蛋白neurexin的重要翻译后修饰。这表明HS可能作为一个重要的药物靶点去调控neurexin的功能。此外neurexin上的HS修饰本身拥有N-硫酸基、O-硫酸基、N-乙酰基等多种可变功能性基团,从而赋予已经复杂的neurexin蛋白更多样的功能变体。

4月2日世界自闭症日 | 蛋白组学为自闭症攻克带来什么?

突触黏附分子中的核心分子neurexin是新的HS修饰蛋白


此外,人体内蛋白质都是成群发挥作用的,它们通过在蛋白质网络中物理互作完成功能。现代遗传技术让我们可以对癌症或精神疾病患者的基因组进行测序,但是要理解致病基因变异是如何影响细胞系统的仍然非常困难。拥有更完整的人类蛋白质互作图谱,能帮助我们以一种更高的分辨率,研究受疾病影响的细胞过程。


麻省总医院的科学家整合来自43,000多篇已发表文章的数据,包括来自8个已有蛋白质-蛋白质互作数据库的数据。开发了最大规模的蛋白质-蛋白质互作网络数据库,称为InWeb_InBioMap(InWeb_IM),这个资源可以阐明癌症、自闭症等多种疾病相关基因是如何引起疾病发生和发展的。相关文章发表在Nature Methods杂志[3]


4月2日世界自闭症日 | 蛋白组学为自闭症攻克带来什么? InWeb_InBioMap数据库分析


看点

03

自闭症能否再早一些被诊断?


自闭症早期干预可明显改善患儿预后,目前自闭症的诊断主要依据相关量表、临床症状、患者或家属描述及医生的临床经验等,临床尚无特异性生物学指标和客观有效的诊断方法。自闭症的发生具有遗传异质性,单一的基因仅能关联到1%左右的病例。研究表明很多自闭症相关的基因编码的产物有相似的功能,因此,从蛋白的角度筛选临床诊断生物标记物更为重要。


来自深圳大学的研究人员运用iTRAQ定量蛋白质组学技术,完成了孤独症儿童血浆蛋白标记物蛋白质组学研究工作。通过分析孤独症儿童与健康对照血浆蛋白,共检测到625个血浆蛋白,筛选到差异表达蛋白24个,这些蛋白主要参与炎性、免疫反应、补体激活、细胞骨架与粘附、粘着斑、细胞迁移、突触形成、脂类及胆固醇代谢等过程。其中22个蛋白已有专利或文献报道与孤独症有关,17个蛋白被该研究首次观察到在孤独症患儿的血液里能被检测到。该研究选择了5个蛋白 (C3,C5, ITGA2B 和TLN1) 进行了酶联免疫(ELISA)验证,结果显示,这5个蛋白用于孤独症联合诊断,具有较高的曲线下面积和诊断价值[4]


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德克萨斯大学Dwight C. German课题组的研究人员分析对比自闭症男孩和正常发育男孩(n = 30 /组)血清样品中的蛋白质,并发现了110种有差异表达的蛋白。利用多种训练和测试组合的方式,研究人员发现有11种蛋白的组合能够以适度的准确度来诊断自闭症。蛋白促甲状腺激素(TSH)和白细胞介素-8(IL-8)在之前就被鉴定为潜在的自闭症生物标志物。研究人员对这两种蛋白用不同的检测平台,在更多的自闭症男孩和正常发育的男孩中进行了进一步的验证。促甲状腺激素的水平有明显的下降,而白细胞介素-8的水平有明显的上升。如果利用促甲状腺激素或白细胞介素-8中的一个来鉴定自闭症,诊断的准确度在74%到76%之间。如果联合使用两种蛋白质,诊断的准确度可以提高到82%。此外,促甲状腺激素水平和自闭症诊断观察时间表子域分数呈负相关[5]


4月2日世界自闭症日 | 蛋白组学为自闭症攻克带来什么?  自闭症相关的差异表达蛋白


看点

04

自闭症是否可以被治愈?


自闭症没有单一特效的治疗方法,所以多管齐下的综合治疗逐渐被广泛认可。其中训练教育是首选的方法,然后辅助以同样重要的药物治疗。药物治疗仅对个别症状可能有效,如利他林对治疗孤独和语言障碍有效等。随着对自闭症发病机理的了解,自闭症的潜在药物靶点不断被发现。


例如,研究发现自闭症患者中有0.69%存在SHANK3基因突变,来自NIBR的Galimberti博士,运用蛋白质组学与磷酸化组学技术将缺乏Shank3基因的小鼠神经细胞产生的蛋白质谱与对照组正常小鼠的神经细胞蛋白质谱进行对比,研究发现CLK2的增加是导致Akt/mTORC1信号通路终止信号传递的原因。CLK2蛋白是自闭症的潜在药物靶点,自闭症动物模型实验证实抑制CLK2蛋白的活性,缺失Shank3基因的神经元之间的信号传导又可以重新开启,相关研究发表在Science[6]

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研究表明,在自闭症病人中,染色体15q11-q13拷贝数扩增(CNV)的先证者占比1-3%,由此导致的泛素连接酶UBE3A基因的过表达是自闭症发生的重要因素之一。来自上海生命科学研究院的科学家们通过研究阐明了UBE3A过度激活抑制视黄酸(维甲酸)合成从而引起自闭症谱系障碍疾病(ASD)发生的分子机制,并发现潜在的治疗靶点。在UBE3A过表达的小鼠自闭症模型中的实验表明,口服安全剂量的全反式维甲酸被发现能够显着缓解自闭症模型小鼠的一系列类似自闭症特征的行为,这为针对某些自闭症亚型的临床干预提供了非常有潜力的分子靶标和前期研究基础。研究结果发表在Cell Research[7]


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参考文献:

[1] Zhou Y, et al., (2019) Comparative Phosphoproteomic Profiling of Type III Adenylyl Cyclase Knockout and Control, Male, and Female Mice. Front. Cell. Neurosci.

[2] Zhang peng, et al., (2019) Heparan Sulfate Organizes Neuronal Synapses through Neurexin Partnerships. Cell.

[3] Taibo Li, et al., (2016) A scored human protein–protein interaction network to catalyze genomic interpretation. Nature Methods. 

[4] Liming Shen,  et al., (2017) iTRAQ‐Based Proteomic Analysis Reveals Protein Profile in Plasma from Children with Autism. PROTEOMICS - Clinical Applications.

[5] Singh, S., et al., (2017) Serum thyroid-stimulating hormone and interleukin-8 levels in boys with autism spectrum disorder. Journal of Neuroinflammation.

[6] Bidinosti M, et al., (2016) CLK2 inhibition ameliorates autistic features associated with SHANK3 deficiency. Science.

[7] Xu, X., et al., (2017) Excessive UBE3A dosage impairs retinoic acid signaling and synaptic plasticity in autism spectrum disorders. Cell Research.


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