今天是第 13 个世界自闭症日, 旨在让人们关注自闭症患者以及他们每天所面临的障碍。联合国鼓励各国政府和相关组织在这一天举行活动，以提高人们对自闭症的认识，同时宣传早期诊断和干预治疗自闭症的重要意义。近年来由于媒体曝光和疾病科普工作，公众开始对儿童和成人自闭症 (ASDs) 的认知正在逐年提高。
自闭症谱系障碍（ASD，又称孤独症）是一种发育障碍，典型特征是社会沟通障碍和重复行为，因此这群特殊的孩子也被称为「来自星星的孩子」。自闭症谱系障碍是一种神经发育障碍，临床研究发现具有非常强的遗传异质性。
图片北京星星雨教育研究所
在过去的十年中，随着测序技术的快速发展，自闭症这种神秘且难以理解的疾病，已经成为基因组时代疾病研究领域的成功案例之一。
Illumina 因美纳公司致力于通过基因的力量改善人类健康。我们注重创新，这使我们成为基因组学专家与主要设备供应商，并为科研、临床和应用市场的客户提供专业的服务。今天我们就把 ASD 领域新出炉的研究成果为大家进行解读与分享，帮助大家了解目前国际上对自闭症的研究进展。
复杂的自闭症遗传学机制
2019 年在 Cell 上发表的《Getting to the Cores of Autism》一文中指出，在过去的十年中，ASD 已经从神秘且被误解的常见疾病之一，成为后基因组时代的成功故事之一。我们将这一成功归因于改变游戏规则的 NGS 测序技术的到来，以及随着 NGS 技术的大规模应用而创建的大型基因组数据集。
目前发现与 ASD 相关的致病基因有数百个，所发现的致病位点突变类型多样。越来越多的自闭症相关致病基因的发现，正在为临床检测和治疗策略的研发奠定坚实基础。在基因、神经发育和认知功能之间架起桥梁，可能需要在转化神经科学和临床精神病学领域采用类似的大数据方法。基因的发现加速了这一过程，为临床测序和 ASD 新治疗策略的开发奠定了基础。
遗传学研究已经发现了三类遗传风险的结论性证据，包括在人群中常见的多基因变异、在人群中最近发生的罕见变异以及在后代中自发发生的新生突变。我们在一个谱系中描述了所有这三种情况，但这种描述并不一定代表一个典型的家庭，因为新生、遗传和多基因风险在个体之间有所不同。
文中还介绍到，通过这种方式，罕见变异，CNV 和常见变异的多基因风险模型（PRS）可以聚集成离散组，在细胞模型和临床表型数据中比较性状相关性的模式可以帮助鉴定具有共同神经病理学的 ASDs 的临床亚型。
全球自闭症大规模队列研究一览
【迄今为止大规模 WES 研究】35,584 例，全外显子组测序研究
Cell. 2020 Feb 6;180(3):568-584.e23.
2020 年 2 月，西奈山伊坎医学院领导的国际研究团队收集并分析 35,584 名参与者的样本，其中包括 11,986 名自闭症患者，完成了迄今为止大规模 WES 研究的自闭症队列的全外显子测序项目。研究人员分析鉴定到 102 个与自闭症风险相关的基因，其中有 49 个基因与神经发育迟缓症状有关。这项研究将自闭症相关基因的数量从 2015 年时的 65 个增加到目前的 102 个，并在区分自闭症与智力缺陷和发育迟缓相关基因方面取得重大进展。研究人员还发现，自闭症相关基因会影响脑部的发育和功能，这两种影响从而增加了自闭症的患病风险。
图：Illumina NovaSeq 测序仪
NovaSeq 系列扩展度大、灵活简便，能够适应各种不同的应用和项目规模，提高操作效率。用户可以同时运行 1 个或 2 个流动槽，并有多种流动槽类型可供选择, 轻松地调节每个测序运行的产出。它可对数据的产出灵活调节，从而您能够运行包含任何测序方法、基因组和规模的项目。从转录组测序到全基因组测序，高质量、高覆盖度的测序为基因组提供了综合的视野，能够精确发现变异、描绘异构体的特征并做更多事情。由于有着更高的通量和每个样品更低的单价，NovaSeq 系列非常适合数据密集型的应用。
Illumina DRAGEN（Dynamic Read Analysis for GENomics）Bio-IT 平台能够对新一代测序（NGS）数据进行快速的二级分析。DRAGEN 在后台使用了 FPGA（现场可编程门阵列技术）的硬件，可为其基于 GATK 的生殖系短变异检测流程提供更快的加速。仅从时间上看，从未经比对的原始 FASTQ 文件开始并生成 GVCF 和/或经过过滤的 VCF，单个全基因组样本的端到端平均分析时间可从 23 小时以上缩短到约 36 分钟。
【GWAS】丹麦国家 iPSYCH 项目计划
Nat Genet. 2019 Mar;51(3):431-444.
由丹麦国家 iPSYCH 项目计划组织和 Broad 研究所的科学家领导的研究团队，对 18,381 名自闭症患者和 27,969 名正常对照进行全基因组关联荟萃分析，并鉴定到 5 个广泛的重要基因座，并且在自闭症的临床亚群分类之间发现遗传差异。这一发现意味着，未来会有能确定将诊断组别分开的基因，进行更精确的诊断，并为患有自闭症的个体提供更适合其自身的诊断和治疗方案。
该项目使用的 Illumina PsychChip Array, 是一款由精神疾病研究联盟（Psychiatric Genomics Consortium）提供设计位点，由 Illumina 生产的一款专为精神类疾病研究设计的芯片，包含 59 万个与精神类疾病预测及风险相关的基因变异位点。
在此项目的另一项研究中，对 8,340 名患有自闭症及多动症患者和 5,002 名对照的外显子组测序分析后发现：患有自闭症和患有多动症的群体在进化保守的基因中具有相似数量的罕见蛋白截短变异体负担。这项研究结果从遗传学角度直接解释了造成这两种不同儿童精神疾病却具有一些相同症状的生物学原因。
Nat Neurosci. 2019 Dec;22(12):1961-1965.
多组学时代的自闭症研究
【单细胞测序】单细胞核 RNA 测序识别自闭症相关细胞类型
Science. 2019 May 17;364(6441):685-689.
单细胞测序技术在诸多转化医学领域应用是 2019 年基因组学研究中最为亮眼的领域之一，在自闭症的研究中也是如此。该项研究利用单细胞核 RNA 测序技术，探究 15 名自闭症患者和 16 名对照患者的 41 个大脑皮质组织样本中总共 104,559 个细胞的转录组水平变化。分析发现，在 ASD 患者上层脑皮质回路兴奋性神经元、表达血管活性肠多肽的中间神经元，原生质星形胶质细胞和小胶质细胞都有非常显著的基因表达变化。将细胞特异性表达差异和 ASD 临床表型的严重程度比较发现，L2/3 神经元细胞和小神经胶质细胞中的基因表达变化和临床表型的严重程度密切相关。这些结果有助于将未来自闭症研究聚焦到最有可能与病症相关的化学分子和细胞类型。
【肠道微生物】自闭症患者肠道菌群可改变小鼠行为特征
Cell. 2019 May 30;177(6):1600-1618.e17.
加州理工大学的研究人员通过粪便移植，将患有自闭症和正常发育儿童的肠道微生物分别移植到实验小鼠体内。其中，植入患有自闭症个体微生物种群的小鼠表现出类似自闭症症状的行为特征，如社交互动时间缩短、不发声、频繁出现重复性的行为，而植入正常发育个体肠道菌群的小鼠则没有表现出这些症状。除行为差异以外，植入自闭症儿童肠道微生物的小鼠大脑中的基因表达和代谢物组成也还发生了显著变化。
由此推测，肠道菌群或是引发自闭症相关症状的重要因素。随后的微生物种群组成和行为相关性分析表明，特定肠道菌群组成改变与自闭症相关行为密切相关，由此证据证明特定细菌可能导致自闭症各种行为症状的假设。
自闭症研究展望
正如上述文献所总结，自闭症的遗传学机制极其复杂，包含从罕见遗传变异、拷贝数异常以及多基因效应。因此只有更清晰的了解自闭症背后的遗传学以及基因组学机制，才能帮助公众和专业医师从基因组学的基础上更清晰的了解自闭症，更多了解这些从星星来的孩子。
随着 NGS 技术在精神类研究中的大规模应用，基于基因组大数据的功能变异位点的发现以及相关研究将会推进研究者对于自闭症的认知。通过大数据的力量，科学家们可以将关联基因变异、神经发育以及认识研究融为一体。尤其是随着宏基因组的 NGS 测序在近年来得以飞速发展，针对精神类疾病患者的肠道微生物研究为研究者提供了一个全新的维度。虽然肠道微生物受宿主本身的生活环境影响，但是它本身也呈现一定的家族遗传特征。所以很多研究者对针对自闭症的肠道菌群移植及相关代谢组学研究寄予厚望。
我们相信在基因组大数据的指引下，这些研究不仅能够帮助人们全面了解自闭症不同亚型分类，而且这些基因的功能机理研究还将会奠定未来自闭症治疗策略开发及药物研究的坚实基础，从而助力实现针对自闭症的精准医学。随着基因组学检测技术成本降低以及各类群体遗传学项目所带来的丰富样本资源，诸如表观基因组关联分析以及空间转录组等新兴技术将会进一步帮助人类来解锁自闭症的奥秘。
关注自闭症，因美纳在行动
早在 2015 年，Illumina 与 Hartwell Autism Research & Technology Initiative（iHART）的研究人员共同合作，建立了一个关于自闭症谱系生物信息学基础数据库。
Illumina 因美纳大中华区的员工同样也在用自己的方式关爱着自闭症儿童群体。公司的志愿者每年都会到北京星星雨教育研究所（简称「星星雨」），去陪伴关爱这些星星的孩子。
北京星星雨教育研究所初建于 1993 年 3 月 15 日，是中国第一家专门为孤独症儿童及其家庭提供教育服务的民办非营利机构（NGO），创始人田惠萍是一位孤独症儿童的家长。星星雨希望通过专业技术培训，提升家长对孤独症儿童的养育能力并促进行业的健康发展，使孤独症人拥有平等的发展机会、享受正常化的生活。促进社会认识、理解和接纳孤独症儿童，尊重他们的生存和发展权利。
* 仅供研究使用，不得用于诊断。
1. Lakoucheva LM. Getting to the Cores of Autism. Cell. 2019 Sep 5;178(6):1287-1298.
2. Satterstrom FK. Large-Scale Exome Sequencing Study Implicates Both Developmental and Functional Changes in the Neurobiology of Autism. Cell. 2020 Feb 6;180(3):568-584.e23.
3. Grove J. Identification of common genetic risk variants for autism spectrum disorder. Nat Genet. 2019 Mar;51(3):431-444.
4. Satterstrom FK. Autism spectrum disorder and attention deficit hyperactivity disorder have a similar burden of rare protein-truncating variants. Nat Neurosci. 2019 Dec;22(12):1961-1965.
5. Zhou J. Whole-genome deep-learning analysis identifies contribution of noncoding mutations to autism risk. Nat Genet. 2019 Jun;51(6):973-980.
6. Velmeshev D. Single-cell genomics identifies cell type-specific molecular changes in autism. Science. 2019 May 17;364(6441):685-689.
7. Sharon G. Human Gut Microbiota from Autism Spectrum Disorder Promote Behavioral Symptoms in Mice. Cell. 2019 May 30;177(6):1600-1618.e17.
图片来源：Illumina