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脑瘫发生的遗传因素
越来越多的证据表明，遗传因素与脑瘫的发生有着密切关系，包括家族性病例的报道和双胞胎同时患病；此外，Hemminki等[7-8]的长期研究显示，脑瘫发病率和父母生育时年龄之间的正相关也表明遗传因素对脑瘫的产生有着重要影响。然而，本研究团队通过评估多个脑瘫候选基因多态性的大量队列病例对照研究，未能发现任何显著相关的基因变异[9-10]。因此，脑瘫的遗传基础可能类似于其他神经发育障碍，如智障和自闭症，其具有高度的遗传异质性[11-13]。到目前为止，关于脑瘫病因的分子机制尚不明朗，这阻碍了脑瘫患儿精准医疗的实践。由于脑瘫的高度遗传异质性，需要招募大量的队列来完全破译相应的基因谱，并解决地理和种族造成的差异性。因此，对脑瘫相关基因的共同特征进行有针对性的研究，并进行详细的机制分析就显得尤为重要，这会对临床治疗脑瘫患者产生深远的影响。本课题组从临床收集来自个家庭的例特发性脑瘫病例入手，首先详尽调查其孟德尔遗传学病因和母系遗传学病因，发现45%脑瘫患者发生疾病相关的有害基因变异。其中以生殖系错义点变异(germlinemissenseSNVs)最为常见，其他类型生殖系变异包括无义点变异(nonsenseSNVs)、插入缺失型变异(indels)和大片段拷贝数变异(CNVs)等均有检出。此发现首次揭示体细胞自发突变在脑瘫分子病因学中的重要性，其比例高达6.7%，与其他神经发育性疾病相似。值得注意的是，脑瘫症状的严重程度与疾病相关变异的检出率呈正相关。另外，脑瘫合并智力障碍患儿群体的检出率也显著高于单纯型脑瘫患儿群体。
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脑瘫相关基因的生物学特征
目前，全球共鉴定出个脑瘫相关基因[14]，远远少于智力障碍所涉及的+相关基因[15]。脑瘫相关基因中约有一半与智力障碍相关基因重合，提示这两种疾病具有部分共通的分子机制。个脑瘫相关基因的遗传方式包括常染色体显性遗传(43.9%)、常染色体隐性遗传(41.2%)、X连锁隐性遗传(12.3%)和X连锁显性遗传(2.6%)。与智力障碍相关基因相比，脑瘫相关基因明显缺乏常染色体隐性基因，但具有较多的常染色体显性基因。因此，可以推测，在未来的研究中，将会有新的常染色体隐性脑瘫相关基因被发现。基因功能分析发现，脑瘫相关基因主要富集在与中枢神经系统发育密切相关的诸多模块里，很有意思的是，与病原微生物易感性有关的基因模块也出现富集，虽然这一证据尚不充分，但也暗示着脑瘫的发病可能与对部分病原体的易感性有关。基因表达分析发现，脑瘫相关基因在多种解剖结构中表达，包括前额叶皮层、运动皮层、小脑皮层、海马、纹状体和体感皮层；此外，这些脑瘫相关基因在多种脑细胞中表达，包括兴奋性神经元、抑制性神经元、中间神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小脑颗粒细胞、浦肯野神经元和小胶质细胞。与脑瘫相关的前三个大脑区域分别是小脑、初级运动皮层和纹状体；排在前3位的细胞类型为浦肯野神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。这些特异性的表达模式可能为进一步研究这些基因的机制提供指导。3
脑瘫相关基因的二元分类法及应用
脑瘫相关基因按照表达模式明显可以分为两类，约有一半基因集中在前脑区，其时序表达高峰在胚胎期，而另一半基因集中在后脑区，其时序表达高峰在出生后。值得注意的是，带有第一种类型基因有害变异的脑瘫患者往往也是智力障碍患者，而带有第二种类型基因有害变异的基本以单纯型脑瘫患者为主。根据这一发现本团队首次创建脑瘫相关基因的二元分类学说，为脑瘫的分子病因学研究提供新的视角。基于这一学说，将两种类型脑瘫相关基因逐一梳理，分别挑出一个具有代表性的基因深入分析其分子机制，即TYW1基因和GPAM基因。第一类基因的代表TYW1是一种新的脑瘫相关基因，该基因缺陷可通过干扰发育中大脑(包括运动皮层和额叶皮层)的神经元增殖和迁移，导致原发性小头症，并导致运动和认知功能障碍。Rak以及Schaffer等[16-17]发现，TYW1基因编码怀丁苷修饰酶，怀丁苷修饰为苯丙氨酸tRNAUUU上37位鸟苷酸的一种特殊修饰。可以注意到，大部分参与tRNA生成的基因已被发现与疾病相关，尤其是神经发育障碍；然而，EIYacoubi等[18]研究却显示，参与tRNA修饰的基因中只有约10%与人类疾病相关。TYW1基因敲除小鼠的脑部面积和重量都显著减小，水迷宫实验、抓力实验和转棒实验显示基因敲除鼠的表现均出现显著下降。由此，推断TYW1基因缺陷确实是造成脑瘫患者临床症状的原因。为了阐明TYW1基因的具体作用机制，对TYW1基因敲除小鼠模型开展了一系列的深入研究，结果显示TYW1基因缺陷导致神经元增殖和迁移受阻。针对TYW1基因作用原理构建数学模型,发现TYW1突变与细胞周期异常导致的原发性小头畸形密切相关[14]。第二类基因的代表GPAM编码星形胶质细胞特异表达的线粒体酶，在脑脂质代谢中起重要作用。斑马鱼模型显示，GPAM基因表达集中于正在发育中的脑部。在构建的GPAM基因敲除小鼠模型中未观察到脑部形态的明显异常，水迷宫实验结果也无显著差异，说明GPAM缺陷不会导致脑部结构的明显异常,也不会导致记忆和认知的问题。但是，GPAM基因敲除的小鼠在转棒实验和抓力实验中均出现显著异常，说明缺陷主要体现在运动能力的下降。在人类和小鼠的脑切片免疫荧光实验中发现，GPAM蛋白特异富集于星形胶质细胞。进一步研究发现GPAM表达的减少降低了星形胶质细胞和少突胶质细胞的各种脂质含量，导致皮质脊髓束的低髓鞘化，抑制星形胶质细胞的增殖[14]，Molina-Gonzalez等[19-20]研究表明少突胶质细胞和星形胶质细胞之间存在重要的相互作用，星形胶质细胞的减少将抑制它们之间的相互作用，加重脊髓发育不良。有证据表明，脂质代谢障碍存在于多种神经发育障碍中，包括智力障碍、孤独症谱系障碍、注意力缺陷多动障碍和精神分裂症[21-23]。此外，Schmitt等[24-25]也证实星形胶质细胞的遗传缺陷与脑白质受损有关。我们的工作有助于阐明星形胶质细胞和髓鞘形成之间的复杂关系，这可能为脑瘫的治疗策略提供新的方向。4
脑瘫分析诊断治疗的前景
通过本课题组和其他实验室的研究，对发现的个脑瘫相关基因进行综合分析，建立一个涵盖脑瘫相关基因各种属性的基因数据库，为后续研究提供有用的参考。未来的脑瘫基因研究可以利用本团队开发的算法和数据库，探索类似TYW1和GPAM的分子作用机理，为将来开展脑瘫患者的临床遗传学筛查及精准医疗提供理论依据和实践指导。可喜的是，近期本团队对特定基因缺陷导致的脑瘫病例开发出高效疗法，运用小分子药物、饮食和运动调整，使脑瘫相关症状得到积极的改善，证明基于分子机制的个性化医疗干预是行之有效的方法，未来可期。
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