神經精神**一直以來缺乏明確的腦病理，并且在很大程度上受遺傳調控，ASD（自閉癥譜系障礙）作為其中的一類**也不例外，所涉及的風險基因多達上百個，因此患者發病的病因有很大的異質性[1,2]。

*近的一些研究報道了大部分ASD患者大腦額葉皮層和顳葉皮層中存在一致的轉錄組和表觀組異常調控模式，這表明ASD盡管病因異質性較大卻可能有較為一致的分子病理[3,4]。但ASD中一致性的分子病理究竟是只限于大腦皮層局部，還是廣泛存在于大腦皮層中仍然需要進一步的研究。

近日，由加州大學洛杉磯分校的Daniel H. Geschwind和Michael J. Gandal領銜的研究團隊，在《自然》期刊上發表重要研究成果[5]。

他們分析了725份來自112個ASD患者以及正常人遺體的大腦樣本，涵蓋11個不同的大腦皮層區域，利用樣本的RNA測序數據，他們發現在大腦皮層中存在廣泛的轉錄組變化，并且呈現出從前到后（額葉到枕葉）越發明顯的趨勢，這比以前所知的要廣泛得多。后續的單核RNA測序數據和甲基化譜則表明，上述分子特征主要影響了興奮性神經元以及神經膠質細胞。

研究人員還認為，這個研究表明，大腦中的廣泛的RNA變化可能是ASD的原因，而不是這種**的結果[6]。

Geschwind團隊首先對725份涵蓋11個大腦皮層區域（其中包含了額葉、頂葉、顳葉、枕葉四個皮層小葉）的樣本進行了RNA測序，這個樣本量幾乎是以往研究的3倍，這些樣本來自49個ASD患者的遺體和54個相匹配的健康人遺體。

得益于樣本量增加帶來的統計力增大，研究人員通過比較兩組樣本的基因表達譜，以及由可變剪接產生的同一個基因的不同轉錄本的表達水平，發現了4223個基因以及9474個轉錄本在整個大腦皮層范圍有顯著的差異表達，并且基因轉錄本的差異效應比基因要大，表明可變剪接ASD中有著重要作用。

為了比較各個皮層區域與皮層整體上的一致性，研究人員計算了各個皮層區域中的ASD患者和正常人之間的差異表達基因和轉錄本。

盡管各個皮層區域的差異表達基因和轉錄本數量不一致，但是11個皮層區域的基因差異效應大小與皮層整體是一致的。其中位于枕葉的初級視皮層（BA17）*明顯，BA17有3264個差異表達基因，而有59%都是皮層整體上的差異表達基因。

Geschwind團隊還在83份來自9例母源15q11-q13重復綜合征（是ASD的一種常見類型）患者遺體的大腦皮層樣本中，進行了上述的差異表達分析，他們發現這些樣本中的基因差異效應與前面皮層整體基因差異效應是一致的。

上述研究結果表明，ASD患者大腦皮層中的轉錄失調所呈現的分子病理廣泛存在于大腦皮層的各個區域，而并不只限于局部。

在正常人的大腦組織中，皮層的各個區域之間存在差異明顯的基因表達模式，這主要反映了不同區域的細胞結構和功能的差異。Geschwind團隊在之前發表的工作中報道了ASD患者的額葉皮層和顳葉皮層之間差異表達的基因顯著減少，他們將這種現象稱為皮層不同區域的轉錄組特性衰減（ARI）。ARI表明ASD患者的額葉皮層以及顳葉皮層的功能，以及區域之間的連通性發生了變化。

為了探究ARI是否在ASD患者大腦皮層中廣泛存在，研究人員在正常人樣本和ASD患者樣本中分別選取了相應的55對不同的皮層區域，通過比較不同區域的基因表達譜，分別計算正常人和ASD患者相對應的不同皮層區域之間的差異表達基因數量，得到ARI的量化描述，然后再以正常樣本和患者樣本之間本身的差異表達基因數量分布，作為背景來衡量ARI的顯著性。

*后研究人員發現了10對皮層區域之間發生顯著的ARI，這表明ASD患者的大腦皮層更傾向于分子水平同質化。在10對發生顯著ARI的區域中有9對都包括了BA17或者BA39/40。

為了研究發生ARI皮層區域中基因表達的變化，研究人員根據區域間基因差異效應以及相應的正常樣本和患者樣本間的差異效應，選出了導致ARI的代表性基因。

盡管這些基因在皮層各個區域中存在廣泛的異常調控，但是在靠后的區域BA17和BA39/40中表現出了更大的變化，即正常人樣本中原本應該在BA17和BA39/40中出現相對于其他區域更高或更低的表達的基因，在ASD患者樣本中則和其他區域的表達量幾乎一致。

Geschwind團隊還對ARI基因作了進一步的分析，他們按照在正常人樣本的皮層區域中從前到后表達量升高或者降低，而在ASD患者樣本的各個皮層區域不發生變化，將ARI基因分為了ARI上調基因和ARI下調基因。他們發現，不論哪一類基因在皮層靠后的區域（BA17、BA39/40）中，ASD患者樣本相對與正常人樣本都有著更大的變化。

這表明原本存在于大腦皮層中從前到后的基因表達梯度，在ASD患者的皮層中衰減消失了。

接著，為了識別在ASD患者大腦皮層中出現協同變化的基因模塊，Geschwind團隊對所有大腦皮層樣本的基因表達數據做了基因共表達網絡分析（WGCNA），當然分析的基因表達數據還包括可變剪接產生的轉錄本表達譜。

結果他們在ASD患者樣本中一共發現了38個至少在一個皮層區域出現上調或下調協同變化的基因模塊。這些模塊大部分可分為兩類：（1）在所有皮層區域中都有較為一致的協同變化的基因模塊為18個；（2）在不同的皮層區域協同變化有較大差異的基因模塊為13個。

在**類基因模塊中有兩個模塊——GeneM5（基因模塊）和IsoformM37（轉錄本模塊）還顯著富集了ASD相關的常見遺傳變異。GeneM5在ASD中下調，其中包括許多與突觸囊泡功能和細胞骨架，以及突觸可塑性相關的基因，甚至還顯著富集了一些會發生與ASD相關的罕見的功能破壞性遺傳變異的基因，例如GRINA、MYO5A以及BTRC。IsoformM37則在ASD中上調，其中包括與熱休克反應和蛋白質折疊相關的基因。

**類基因模塊中，沒有任何一個基因模塊富集已知的ASD相關遺傳變異。但是其中有12個基因模塊顯著富集前面提到的ARI基因，表明這些基因模塊在正常人大腦皮層中應該代表著各個區域的轉錄組特性，而在ASD中這種特性消失了。

12個基因模塊中有6個在正常人大腦皮層中靠后區域高表達（相對于靠前區域），但在ASD患者大腦皮層中則出現了下調，有4個則是在正常人大腦皮層中靠前區域高表達，但在ASD患者大腦皮層中出現了上調。

這些結果再一次表明，ASD患者大腦皮層靠后區域中發生了遠比靠前區域嚴重的轉錄失調，從而導致了ARI。

結合以往的報道，Geschwind和他的同事推斷產生這種現象的原因可能是：大腦皮層靠后區域例如BA17相比于皮層其他區域是神經元*密集的區域，在小鼠和靈長類動物的大腦皮層中觀察到神經元密度也有從前到后增加的梯度。因此由ASD帶來的轉錄失調嚴重性與皮層區域中神經元密度有關。

他們還通過分析ASD患者大腦皮層中轉錄組的變化，和以往報道的靈長類動物皮層各個區域的神經元密度數據的關聯性證實了上述推斷。

Geschwind團隊推測，ASD相關的基因轉錄的大范圍失調，很有可能反映了皮層中各種細胞比例的變化。那么真相究竟是否如此呢？

為搞清楚上述問題，他們對來自6個有明顯基因差異表達特征的ASD患者，和6個匹配的正常人大腦皮層的250000個細胞核進行了???核RNA測序，這些細胞涵蓋了額葉、頂葉和枕葉皮層。通過對snRNA-seq數據的聚類，他們識別到了26種不同的細胞類群，這基本上代表了所有在大腦皮層中出現的細胞類型。

接著，Geschwind團隊比較了ASD患者和正常人大腦皮層中26種細胞類型的比例，沒有發現在FDR校正后仍然顯著的細胞比例變化，只有星形膠質細胞比例在ASD患者樣本中出現了微弱的上升（FDR>0.18）。

他們還利用之前獲得的包含72個個體（ASD患者和正常人各36個）的bulk-seq的甲基化譜做了細胞類型分解，比較之后同樣沒有發現顯著的細胞比例變化。

Geschwind團隊還考慮了在前面差異基因計算中加入皮層細胞比例，作為協變量來分析細胞比例對差異基因的影響，結果發現細胞比例加入前后基因差異效應log2FC高度相關（ρ>0.7），這些結果表明細胞比例的變化并不能解釋在ASD患者大腦皮層中廣泛存在的轉錄失調。

他們推測前面發現的ASD相關的轉錄失調，有可能反映了細胞類型特異的基因表達變化，于是他們對在snRNA-seq中發現的26中細胞類型分別計算了細胞特異差異表達基因。結果他們再次觀察到了皮層的梯度變化——從前到后差異基因越來越多。其中興奮性神經元擁有*多的差異基因，并且在枕葉中的興奮性神經元更為顯著。

在研究的*后，Geschwind團隊還觀察到前面基因共表達網絡分析發現的96個基因和轉錄本模塊中，有90個都顯著富集了細胞特異差異基因。

上述結果表明，細胞類型特異的基因差異表達很大程度上導致了ASD患者大腦皮層中廣泛存在的轉錄失調，而細胞類型比例的變化帶來的影響很小。

總的來講，這項研究通過一個更大規模的涵蓋ASD患者大腦皮層四個小葉的樣本隊列，證明了轉錄失調在ASD患者大腦皮層中廣泛存在，并且靠后區域的轉錄失調比靠前區域嚴重，而這種廣泛的轉錄失調背后是皮層中細胞類型特異的基因轉錄失調。