ITPR1基因与自闭症谱系障碍关系的研究进展

白一铎，王宇，刘建红

(蚌埠医学院 a.临床医学院；b.检验医学院生化与分子生物学教研室，安徽 蚌埠 233030)

自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder，ASD)是一组具有多样性的神经发育障碍性疾病，核心症状为早发性社交困难和异常重复的行为及兴趣，常伴发其他精神神经发育障碍[1]。临床诊治ASD缺少特异性的生化诊断指标和对核心症状的药物治疗手段[2]，该病需通过长时间全面行为观察进行诊断并使用行为疗法以及抗精神病药进行治疗[3-4]，给患者家庭和社会带来沉重负担。肌醇1，4，5-三磷酸受体1型(inositol 1，4，5-trisphosphate receptor type 1，ITPR1)参与细胞内钙信号活动，与多个ASD易感基因导致ASD的生物学过程相关，与核心症状有显著关联，且其编码基因的罕见单基因突变是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)介导的钙离子信号通路障碍，并且精神药物碳酸锂可以通过影响ITPR1功能治疗精神疾病[6]。本文对ITPR1在ASD的遗传、生物功能改变和诊断及治疗中的应用前景三方面进行综述，以期为进一步相关研究提供参考。

1 ASD

ASD是一种常见的高度遗传的异质性神经发育障碍，其核心症状为早发性社交障碍和异常重复的行为兴趣，常伴随癫痫、焦虑和抑郁等精神神经障碍[1]。美国疾病控制中心在2014年和2016年发布的报告中显示，8岁儿童的患病率约为1/68，但2018年的报告数据约为1/59，提示ASD的患病率逐渐上升[7]。ASD患者的异质性主要体现在2个方面：一方面ASD存在遗传基因的多样性，西蒙斯基金会自闭症研究计划的人类基因部分最新数据(https://gene.sfari.org/database/gene-scoring/)提供了可能与ASD相关的1 000个基因，体现了ASD的遗传异质性。另一方面，ASD患者临床表现多样，由核心症状及伴随症状组成，不同患者可能存在不同的伴随症状，同时患者行为特征也因年龄、语言水平和认知能力的不同而有所不同；ASD患者对临床治疗的反应也呈现出多样性，如可根据ASD患者对维生素B6治疗的反应将其分为多个亚组[8]，证明不同ASD患者可能对同一治疗方案有不同的反应。

ASD遗传研究发现，其易感基因编码蛋白质大都参与突触结构与功能、染色质修饰和基因表达调控。ASD作为高度遗传的异质性神经发育障碍疾病，患者可能存在效应较小的常见突变和效应较大的罕见突变。罕见突变在人群中比率较低，然而存在罕见突变的患者在临床中更常见，这在临床ASD患者罕见突变个体显著增多中有体现[9]。因此，研究ASD罕见较大效应的突变与ASD发生发展之间的关系，可以促进对ASD发生发展的了解，推动诊断和治疗技术的发展。

ASD的早期干预对ASD患者至关重要[10-11]。ASD的诊断依赖行为调查与行为测试，依靠患儿家长观察和心理医生、儿科医生以及神经内科医生的综合评估[3]。ASD患儿可能在早期出现症状，但因社交需求不足，不一定表现。因此即使早期对患儿进行临床症状监测与评估，仍可能发生延迟诊断情况[12]。由于观察过程耗时，且ASD存在高度异质性和医疗人员观察存在主观性，患儿往往不能被及时诊断。ASD的生物标志物可被用于ASD患者的筛查，在症状出现前作出诊断[13]。生物标志物也可提高临床诊断的可靠性与有效性，确定干预方案。

目前ASD治疗方法主要包括教育实践、发展疗法和行为疗法(如应用行为分析)，这些治疗方法旨在通过全面的行为干预来达到改善患者核心症状的目的[4]。但其实施方法复杂，需要多方专业人员参与，在许多地区并不可行。非典型性抗精神病药利培酮和阿立哌唑是仅有的美国食品和药品管理局批准用于改善ASD合并症状的药物[7]，迄今为止还无针对ASD核心症状有效的药物干预治疗措施[2]。

2 ITPR1基因与ASD发病风险的关联

ITPR1基因在ASD可能的致病基因中作为罕见的单基因突变被多次报道。2014年自闭症测序协会通过对15 480个DNA样本库进行全外显子组测序，鉴定出ITPR1基因可能造成破坏的新发错义突变[14]。Iossifov等[15]通过对SSC数据库中的全外显子组测序，在ASD先证者中鉴定出1个ITPR1基因错义突变，可能与疾病的发生有关。Wang等[16]为验证先前研究发表的ASD相关新发突变是否适用于中国患者，对来自中国人群自闭症临床和遗传资源样本库的自闭症先证者进行靶向测序，发现了可能造成损害的ITPR1基因新发错义突变。证明了ITPR1基因变异在不同人种的ASD患者之间的普遍性。

ASD存在遗传异质性和临床表现异质性，通过将ASD患者不同的临床表现和基因型相对应，可以提高发现ASD易感基因的可能[17]。Narita等[18]以自闭症诊断访谈量表评分和对维生素治疗反应的临床治疗史为数据，应用K-means进行分类，将SSC数据库的患者进行分类，最终将ASD患者分为多个亚型，进行聚类全基因组关联分析。实验确定了35个显示与ASD相关的基因内SNP位点，其中包括ITPR1基因。可见，ITPR1基因的表达和功能异常与ASD发生存在关联。

3 ITPR1与ASD发病基础

ITPR1通过与IP3结合调控细胞内质网钙的释放，与细胞膜钙通道一起参与细胞内钙信号的调控。经由IP3参与的细胞内信号传导通路进行信号转导的配体(如谷氨酸)与其受体结合(如分泌型谷氨酸受体)，通过激活与受体偶联的G蛋白激活磷脂酶C，G蛋白激活的磷脂酶C再分解膜脂质中的磷脂酰肌醇二磷酸产生IP3和二酰甘油，进而IP3与ITPR1结合使细胞内质网内钙释放。通过细胞膜钙通道进入细胞质内的钙离子也可以和ITPR1结合引发钙诱导钙释放(calcium induced calcium release，CICR)，导致细胞内钙离子的进一步升高。进入细胞质内的钙离子不仅可以作为带电离子影响细胞膜的电位直接改变细胞的功能，也可以与二酰甘油和细胞膜中的磷脂酰丝氨酸一起在膜的内侧面结合并特异地激活细胞质中的蛋白激酶C，进一步磷酸化下游功能蛋白改变生理功能，或者与钙调蛋白形成Ca2+-CaM复合物调节细胞功能。

通过这一方式，ITPR1将细胞外信号转化为细胞内钙信号，参与细胞内钙信号的形成，其表达和功能在突触结构与功能的形成和维持中起重要作用[19]。钙信号异常或紊乱以及突触结构异常和功能紊乱与ASD核心症状有关[5]。

3.1 ITPR1参与影响神经细胞突触结构钙作为第二信使参与传递轴突导向信号，调节生长锥的运动以及生长方向[20]，影响突触形成。在皮质神经元中，自发的钙瞬变以频率依赖的方式调节轴突的生长[21]。最近研究发现丙戊酸钠诱导的自闭症模型小鼠大脑海马区ITPR1表达水平低于正常小鼠，伴随海马锥体神经元树突棘密度和PSD95蛋白表达水平下降，证明ITPR1功能改变影响海马锥体神经元发育和突触形成可能是其参与ASD发生的机制之一[22]。

ASD易感基因通过影响ITPR1表达或功能导致ASD的发生。应用可以诱导轴突分支形成的netrin-1时，轴突整体或局部的钙瞬变平均增加了4倍。netrin-1停用时钙离子活动回到基线水平，在阻断细胞内质网上的IP3受体后，钙离子活动减少使netrin-1诱导产生的轴突分支严重减少[23]。最近一项针对自闭症及多种精神疾病的全基因关联研究的跨性状荟萃分析在编码netrin-1受体的DCC基因中发现了内含子SNP，在MTAG分析后达到ASD的全基因组显著性，证明ITPR1参与轴突分支的形成[24]。对Shank1突变小鼠研究发现，Shank1突变小鼠表现出ASD核心症状，未发现伴随症状[25]。小鼠关键脑区(额叶皮质、海马和小脑皮质)出现结构变化，并伴随mGluR1蛋白、ITPR1蛋白和内质网钙离子释放持续下调，Shank1基因与ASD发生发展显著相关[26]，表明ITPR1表达和功能的改变与自闭症核心症状相关，可能是ASD诊断和治疗的潜在靶点。

3.2 ITPR1参与影响神经细胞兴奋传递ITPR1基因功能障碍影响神经细胞突触的形成以及正常结构的维持。与ASD发生密切相关的五羟色胺通过ITPR1信号通路调节轴突兴奋性[27]。Zahratka等[28]研究发现，野生型线虫ASH神经元在受1-辛醇刺激后电压门控钙通道开放，使细胞外钙离子进入细胞质通过CICR机制引起ITPR1介导的钙瞬变。在正常表型的线虫中，钙离子水平在10 s内升高达峰值后，ASH神经元对1-辛醇刺激脱敏，钙离子水平开始下降。在存在ITPR1功能减弱突变的itr-1(sa73)个体中，由ITPR1介导的钙离子变化幅度减少为正常表型的50%，ASH细胞对1-辛醇脱敏的速率变得更慢，其细胞内钙离子水平可以响应撤去1-辛醇刺激回到基线。Williams等[29]研究发现，线虫ASH神经元伤害感应增敏剂五羟色胺可以与G蛋白偶联受体相结合，通过上文介绍的ITPR1受体参与的细胞内信号转导途径产生Ca2+-CaM复合物，Ca2+-CaM复合物结合并激活钙调神经磷酸酶，钙调神经磷酸酶使L型电压门控钙通道去磷酸化受到抑制，增强线虫对伤害刺激的敏感性，证明ITPR1在神经元兴奋性和兴奋传递的调节中起重要作用。

ITPR1除了影响神经细胞对刺激和神经调节剂的反应外，也与神经细胞长时程增强有关。在对Ataxin-2基因扩增小鼠的研究中发现，Ataxin-2异常小鼠小脑浦肯野细胞中ITPR1与钙调蛋白依赖性激酶2-α进行性下降，而钙调蛋白依赖性激酶2-α调节突触长时程增强[30]，说明ITPR1功能改变可以通过影响细胞内钙离子信号影响轴突兴奋性，进而引起突触传递异常，导致ASD的发生。

4 ITPR1基因与ASD的诊断和治疗

4.1ITPR1基因与ASD的诊断ASD早期干预对患者预后改善有显著作用，ASD患者临床表现的异质性和诊断过程的复杂性使得ASD患者很少在早期被诊断。Schmunk等[31]研究发现，在3种单基因ASD模型患者的成纤维细胞中，IP3介导的内质网钙释放减少，同时与对照细胞相比，模型患者的成纤维细胞中由IP3参与形成的细胞内钙活动也受到影响。进一步研究将试验对象从罕见的单基因ASD患者扩展到典型散发性ASD患者，发现大多数病例中IP3介导的内质网钙释放降低，表明ASD患者存在普遍的IP3介导的钙离子信号通路障碍[6]。有研究显示，ITPR1的功能抑制在ASD的发生发展中起到关键的“中枢”作用，可以将其用作诊断的生物标志以及新药研发的潜在目标[5,32-33]。通过对更大范围和更多种基因型ASD患者的ITPR1功能变化进行研究，发现ITPR1的功能变化可能与ASD发生发展密切相关，这将为ASD的诊断提供客观且简单易行的生物标志物。

4.2ITPR1基因与ASD的治疗非典型性抗精神病药利培酮和阿立哌唑是仅有的美国食品和药品管理局批准用于改善ASD合并症状的药物[7]。非典型性抗精神病药可以对ASD相关合并症状进行控制，但不能治疗核心缺陷，迄今为止还无针对ASD核心症状的有效药物治疗措施[2]。ITPR1参与的钙离子信号通路与ASD核心症状存在显著关联[5]。因此，调节ITPR1参与的细胞内钙离子信号通路的药物可能用于治疗存在ITPR1功能改变的ASD患者的核心症状。用于治疗精神疾病的药物碳酸锂可以通过调节ITPR1参与的细胞内钙离子信号通路改善和治疗精神疾病症状。研究发现，锂可以通过影响IP3阻断多巴胺的传播，达到治疗双相情感障碍的效果，并且锂通过非竞争性抑制肌醇单磷酸酶和肌醇多磷酸1-磷酸酶使IP3的水平下降，通过IP3调节许多已知的与神经疾病相关的通路，如自噬[34]。Schlecker等[35]研究发现，在双相情感障碍患者前额叶皮质中增加的神经元钙传感器-1可以和ITPR1结合并增加其通道活性，而锂则可以几乎抵消神经元钙传感器-1的这一作用，说明锂可以通过不同通路影响ITPR1的活性，使其活性降低或由增高恢复至正常。目前对于锂影响ITPR1参与的细胞内钙信号的研究较少，对其影响方式仍不清楚。如能进一步了解锂影响ITPR1活动的机制，则有助于研究锂治疗ASD的可能性。

5 展望

目前对于ITPR1基因与ASD的关系还未完全阐明，但多个ASD易感基因通过影响ITPR1表达与功能使突触结构和功能出现障碍，表明ITPR1基因的改变与ASD的发生发展密切相关。随着ASD患者症状分类的全外显子测序和ASD全基因组关联分析的进行，ITPR1基因与ASD的关系或许可以进一步阐明。临床上暂无以ITPR1为靶点诊断或治疗ASD的相关策略。ITPR1表达和功能改变已经在多种基因型的ASD患者中发现，同时研究证明锂可以通过间接调节ITPR1的功能达到治疗和改善精神疾病症状的目的。进一步阐明ITPR1功能改变与ASD之间的关系以及锂如何影响ITPR1的功能，有助于研究诊断ASD的生物标志物以及碳酸锂治疗ITPR1功能改变的ASD患者的可能性。