男孩更容易患孤独症？哈佛大学研究发现女性独有的保护效应

　　本期解读嘉宾：袁老师
　　■     哈佛大学医学院脑科学博士后
　　■     哈佛大学附属BWH脑科学专家
　　■     小小神经元首席脑科学家
　　《自然神经科学》（Nature Neuroscience）为Nature聚焦于神经科学领域的著名子刊，出版该领域各个领域的最佳神经科学研究，旨在为读者提供权威、可访问和及时的信息，了解神经科学最重要的进展。该杂志为国际神经科学界提供了一个非常引人注目的论坛，该论坛涵盖的领域包括分子，细胞，系统，行为，认知和计算研究，包括新闻和观点，评论，观点和社论，有助于将主要研究置于背景之中，从而为读者提供整个领域的广阔视野。
　　本文涉及专业内容，阅读难度较大，家长们可选择  标出的重点内容  进行浏览
　　研究团队介绍
　　Michael Greenberg教授
　　Jun R. Huh教授
　　Michael Greenberg教授实验室长期以来都非常关注突触发育和神经环路的基因调控表达，特别是当这些调控过程发生异常导致神经系统疾病时的基础分子机制。
　　从20世纪80年代中期开始，实验室专注于阐明神经元因外部刺激而发生转录程序的具体过程和作用。为此，他们在努力研究阐述各种信号通路，这些过程与各种人类认知功能障碍之间的密切联系，该实验室不断寻求利用这些分子洞察，以 增进对病因和临床相关神经系统疾病的治疗理解 。
　　Jun R. Huh教授实验室聚焦于免疫与炎症研究。免疫细胞调节是治疗炎症病理疾病的一种极具潜力的方式。炎症对于保护我们免受内部（如癌症）或外部（如微生物）的危险至关重要。但是炎症也导致许多人类病理学和疾病，包括自身免疫性疾病，以及潜在的神经发育障碍。为了改善对一系列疾病的治疗， 该实验室致力于发现控制致病性免疫细胞功能和发展的新机制 。
　　研究内容及成果
　　来自 哈佛大学医学院 的Jun R. Huh教授团队和Michael Greenberg教授团队联合在 国际顶级神经科学杂志Nature Neuroscience 上发表了题为《Maternal immune activation in mice disrupts proteostasis in the fetal brain》研究论文。
　　通过单细胞RNA测序技术，对小鼠出生前后大脑细胞中基因表达进行分析，发现 当小鼠母亲发生感染免疫激活时 ，有特定的分子信号通路 仅在雄性后代小鼠中被特异性激活，发生了自闭症样行为 ，部分揭示了为何 雄性后代更易受家族神经发育疾病遗传影响 。
　　为了建立小鼠母系妊娠感染免疫激活模型（Materal immune activation, MIA），科学家们在怀孕母鼠腹腔内注射一种模拟病毒性感染的物质＂poly（I:C）＂，该物质可以导致包括社交障碍、重复刻板行为在内的自闭症样神经发育障碍结果【2-4】。因此， 该模型可以较好地模拟临床家族性自闭症障碍遗传现象 。
　　接下来，研究人员利用单细胞RNA测序技术，对胚胎成长第14.5天（E14.5）和第18.5天（E18.5）的胎鼠前额皮层神经元进行分析。总计对37377个E14.5和57953个E18.5的细胞进行了分析，每个细胞平均检测到3529和2168个确定的转录记录。
　　结果发现，虽然在雌性和雄性后代中并没有观察到明显的神经细胞类型不同，但在定义的细胞类型中利用微分基因表达（DGE）分析发现，MIA组和对照组之间存在广泛的基因表达变化。
　　在图1中，研究人员展示了E14.5和E18.5胎鼠神经细胞和非神经细胞中，都有特定或共享的MIA相关的基因特征。比如，很多在皮层兴奋性和抑制性神经元中负责翻译的基因在对照组雄性子代和MIA组雌性子代中显著表达减少；Gene Ontology (GO analysis)差异分析特定细胞类型的表达基因表明，表明存在广泛的mRNA追踪和细胞质转录网络异常。
　　研究人员在多种细胞类型中发现了许多真核翻译起始和延长因子表达异常，与对照组雄性后代相比，MIA处理组雄性后代E18.5的皮层神经元中与蛋白合成密切相关的Eif3e,Eif3k,Eef2和Eef1g均表达减少。与此同时，在相同的样本中，研究人员也发现MIA组雄性后代的若干种转运RNA合成酶表达同步降低。
　　图1
　　研究人员同时发现，编码核糖体亚基的许多基因（例如Rps8， Rps10 和 Rpl13） 在MIA组雄性后代E14.5中明显下调，随着时间延长，在E18.5中下调减缓。
　　有意思的是， MIA后代翻译异常现象是雄性性别依赖的，即未在MIA雌性后代发现 。
　　接下来，研究人员使用多因素分析来鉴定MIA后代异常细胞中哪些基因发生了变化。MIA雄性后代在多种细胞类型中，核糖体相关、细胞压力相关和翻译相关基因相较于MIA雌性后代均发生了广泛的下调。
　　比如，Ttf1在MIA雄性后代中显著上调（FDR=1.5X10-5）,而在MIA雌性后代中显著下调（FDR=1.5X10-51）。
　　图2
　　研究人员在上述研究中已经发现细胞质翻译异常在MIA雄性后代中普遍存在，因此研究人员推测 MIA雄性后代大脑前额细胞中可能存在广泛的蛋白质合成异常 。研究人员通过TAMRA信号来追踪新合成的蛋白质，再与总蛋白比较（Coomasie信号）这种方式来研究是否存在新生蛋白合成异常。
　　研究发现，MIA雄性后代仅在大脑皮层部位中发生新生蛋白质合成异常，而其它部位则正常。这个结果和前文作者scRNA-Seq的结果一致。
　　那么，为什么MIA雄性后代新生蛋白质合成会发生异常呢？研究人员推测可能是和综合应激反应(integrated stress response，ISR)相关。ISR反应一般是由于执行细胞需要大范围地减少蛋白质合成而产生的一个综合反应。
　　研究人员通过Western blot发现，蛋白合成关键分子eIF2a的磷酸化在MIA雄性后代中显著上调，且其上游信号PERK蛋白同样发生磷酸化水平上调，表明MIA雄性后代确实存在蛋白合成减少。
　　而若在MIX小鼠母亲同步注射IL-17a抗体来拮抗病毒感染产生的炎症时，eIF2a的磷酸化和PERK的磷酸化水平则被逆转。这个结果进一步证实了研究人员的猜想。
　　图3
　　为了进一步研究清楚ISR反应对MIA雄性小鼠的影响，研究人员接下来使用了基因编辑技术进行了eIF2a S51A突变，突变后的eIF2a将无法磷酸化来抑制蛋白合成。
　　研究人员发现，eIF2a突变后的MIA雄性后代新生蛋白合成恢复了正常，同时免疫染色显示突变后的MIA雄性小鼠c-FOS表达减少。 这些结果都表达MIA雄性后代存在明确的新生蛋白质合成受阻 。
　　图4
　　最后， ISR反应拮抗是否可以逆转MIA雄性后代自闭症样行为呢？ 研究人员仍然采用eIF2a S51A突变的方式来拮抗ISR反应。
　　研究发现，MIA雄性后代确实和前人研究一致，发生了重复刻板行为和社交障碍【3，4】，而eIF2a S51A突变的MIA雄性后代则没有了这些自闭症样行为。
　　除了基因手段外，研究人员还用药理学手段给MIA母鼠加入ISR抑制剂药物ISRIB，在每2天注射一次ISRIB后，MIA雄性后代同样没有自闭症样行为产生。
　　结果表明 这可能是一个阻断MIA雄性后代发生自闭症样行为的好靶点 。
　　图5
　　未来研究方向
　　该项研究首次比较全面地 从分子和神经机制上解析了自闭症家族遗传上女性保护效应产生的原因，明确揭示了母系感染会特异性地引发雄性或男性后代的大脑发育异常，导致潜在的自闭症样行为 。
　　该文章发表后，相关领域研究者反响热烈，Kristine E. Zengeler博士 和John R. Lukens博士在Neurodevelopment杂志专门撰写了评述文章《Inflammation stresses out brain development》, 总结了Michael Greenberg教授和Jun R. Huh教授该项研究工作。
　　该图示形象地说明了，MIA母鼠后代经历不同条件最终神经发育的结果， 其雄性后代在新生蛋白质合成正常时，可以和雌性后代一样， 拮抗自闭症样行为，获得＂女性保护效应＂。
　　该结果对未来防护孤独症发生具有极大意义，或许能在孩子未出生前利用＂女性保护效应＂减少患孤独症的风险。
　　据美疾控中心2020年的报告， 美国孤独症的发病率已高达1/54 ，这是什么概念呢？相当于在一节高峰时期的地铁车厢内就可能有一位孤独症患者。
　　而目前 中国有超过1000万的孤独症患者，其中12岁以下的患者约有300多万 ，这并不意味着我们的发病率低，而可能是很大一部分患者连诊断的机会也没有。
　　孤独症不再是一种罕见病，所以面对孤独症无法医治的现状，科学家们也在锲而不舍地进行研究， 每一项研究的进展都在拉近我们和星星的距离。
　　我们会将这些国际上最新的研究成果分享给大家， 以科学的态度看待孤独症 ， 不轻信没有科学证明的所谓＂能治好自闭症＂的药物或是治疗方式。
　　如果 你想学习更多科学干预的方式，欢迎加入我们的孤独症家庭公益群 ，不仅有800+位家长交流心得经验，更有哈佛老师、BCBA每日答疑解惑↓↓↓
　　参考文献
　　[1] Robinson, E. B., Lichtenstein, P., Anckarsäter, H., Happé, F., & Ronald, A. (2013). Examining and interpreting the female protective effect against autistic behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110(13), 5258–5262.
　　[2] Smith, S. E., Li, J., Garbett, K., Mirnics, K., & Patterson, P. H. (2007). Maternal immune activation alters fetal brain development through interleukin-6. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 27(40), 10695–10702.
　　[3] Choi, G. B., Yim, Y. S., Wong, H., Kim, S., Kim, H., Kim, S. V., Hoeffer, C. A., Littman, D. R., & Huh, J. R. (2016). The maternal interleukin-17a pathway in mice promotes autism-like phenotypes in offspring. Science (New York, N.Y.), 351(6276), 933–939.
　　[4] Shin Yim, Y., Park, A., Berrios, J., Lafourcade, M., Pascual, L. M., Soares, N., Yeon Kim, J., Kim, S., Kim, H., Waisman, A., Littman, D. R., Wickersham, I. R., Harnett, M. T., Huh, J. R., & Choi, G. B. (2017). Reversing behavioural abnormalities in mice exposed to maternal inflammation. Nature, 549(7673), 482–487.