解开认知控制的基因贡献

简介

注意缺陷多动障碍(ADHD)是世界各地儿童和青少年常见的一种行为障碍。专家估计，大约有2 - 7%的儿童被诊断患有这种疾病。这些专家还认为，这种情况仍然严重缺乏诊断，尤其是在女性和成年人中。¹更好地了解导致多动症的基因可以帮助识别多动症相关的生物风险途径。这些知识可以成为诊断测试的基础，使临床医生能够识别出有可能更早发展成这种疾病的儿童，并为创新的个性化治疗模式提供信息。

Mark Bellgrove博士是莫纳什大学认知与临床神经科学研究所的研究主任，也是莫纳什大学心理科学学院的认知神经科学教授。他的工作重点是定义分子遗传结构和神经化学驱动，这是执行功能的两个关键组成部分:注意力和认知控制。通过采用系统神经科学的方法，贝尔格罗夫博士希望能找出导致多动症的基因，并建立对导致该障碍行为症状的细胞、大脑和认知通路的理解。

贝尔格罗夫博士正在与Illumina公司密切合作，设计一种定制阵列CogChip，以识别与执行功能和认知控制问题相关的变体。他在接受iccommunity采访时谈到了罕见的基因变异如何增加我们对执行功能的理解，为什么全基因组测序(WGS)是研究复杂疾病的未来，以及下一代测序(NGS)如何预示着个性化多动症治疗和疗法的到来。

Mark Bellgrove博士是莫纳什大学认知与临床神经科学研究所的研究主任，也是澳大利亚墨尔本莫纳什大学心理科学学院的认知神经科学教授。

问:最初是什么让你对研究多动症感兴趣?

马克Bellgrove (MB):我一直对认知生物学很感兴趣。例如，你和我可能在专注和集中注意力的能力上是不同的。这是为什么呢?为什么有些人很容易分心，而有些人即使在令人分心的情况下也能保持专注?

我的专业是认知神经科学，研究注意力和工作记忆背后的神经科学。在爱尔兰三一学院(Trinity College)做博士后期间，我开始研究注意力缺陷多动症(ADHD)，进行了一些最早的研究，将爱尔兰注意力缺陷多动症患者的基因变异与实验室的注意力测量联系起来。这激发了我的兴趣，想把我的认知神经科学工作与基因方法结合起来。

从那以后，我的工作扩展到用系统神经科学的方法来理解多动症。我试图理解基因和基因突变是如何改变细胞信号通路的，以及这是如何从大脑的生理反应级联到注意力或认知障碍儿童的客观问题的。

问:作为一个在不同国家研究过注意力缺陷多动障碍的人，与其他西方国家相比，这种疾病在澳大利亚的患病率是多少?

m:令人惊讶的是，全球范围内的患病率相当一致。基于人群的流行病学样本表明，约5%的学龄儿童患有注意力缺陷多动障碍。²尽管你可能会读到一些标题，但无论你在世界上哪个地方，ADHD的诊断率都是一致的，在过去几年里没有明显变化。

“NGS使我们能够查看整个基因组，并有效地识别编码和非编码区域的罕见变体。我们在研究中使用了WGS和WES。”

问:我们对这种疾病的原因了解多少?

m:我们知道多动症是所有心理健康疾病中最容易遗传的一种。由基因驱动的个体差异的百分比与自闭症和精神分裂症等其他疾病的情况相似。我们知道注意力缺陷多动障碍是由基因驱动的，但我们仍在试图分离所有可能带来风险的基因变异。

有一些常见的变异(存在于一般人群中的变异)，它们的等位基因频率约为5%。然而，破坏基因功能的罕见遗传事件也可能发挥重要作用。我们正在使用NGS来识别可能对基因功能有重大影响的罕见突变。类似地，自闭症研究也通过测序来发现影响该疾病功能通路的变异。

问:ADHD的遗传学研究采用了哪些方法?

m:像许多复杂的疾病一样，我们开始寻找所谓的候选基因。根据生物学假说，我们认为这些基因可能与多动症的病因学有关。例如，我们知道刺激性药物可以有效地治疗多动症，并通过抑制大脑中的多巴胺转运蛋白发挥作用。这种蛋白质负责从突触中重新吸收多巴胺。一种生物学假设是这种转运蛋白过于活跃。研究人员开始寻找编码多巴胺转运体的基因变异，以观察ADHD患者和对照组之间是否存在不平等的频率。至少对多巴胺转运体和多巴胺受体D4的研究表明，这些候选基因确实带来了少量的风险。然而，对这些研究的批评是，他们挑选了特定基因的基因组先天的但并没有在整个基因组的背景下提供ADHD遗传风险的观点。

“我们预计CogChip将有一个共同的变异主干，并将丰富我们从测序协议中发现的罕见变异，以及在大型联盟研究中发现的与大脑或认知功能相关的变体。”

为了观察整个基因组，研究人员转向全基因组关联研究(GWAS)。在很长一段时间里，由于样本量小，GWAS对多动症的治疗明显无效。然而，精神病学基因组学联盟和其他国际队列已经扩大了国际多动症数据集的数量。今天，有14个经meta分析验证的GWAS基因命中的ADHD。^3.然而，这些研究只针对那些等位基因频率小于1%或5%的常见变异，具体取决于所使用的特定标准。这些研究还没有涉及到罕见的变异以及它们可能如何影响基因功能。

问:您为什么开始在研究中使用NGS ?

m:NGS使我们能够查看整个基因组，并有效地识别编码和非编码区域的罕见变异。我们在研究中使用了WGS和全外显子组测序(WES)。

最初，我们进行了一项小型WES研究，使用来自文献的目标基因集，并发现了脑源性神经营养因子(脑源性神经营养因子)基因，该基因是大脑发育的重要基因。⁴这是一个小规模的初步研究，我们想要更详细地复制。

问:ADHD患者的执行功能是什么?这些过程是如何改变的?

m:执行功能指的是人类独特的认知过程，它使我们能够相互作用，适应我们所生活的复杂、不断变化的世界。执行功能是一组认知过程，它让你关注重要的事情，并在不适当的时候抑制行为，无论是不适当的内部想法还是外部行为。这类认知功能在多动症患者中受损，在精神分裂症和自闭症患者中也是如此。通过研究执行功能的遗传学，我们可能会发现多动症、自闭症和其他疾病的潜在遗传责任的新线索。

“我们相信CogChip可以成为一种筛查工具的基础，因为执行功能是一系列不同临床疾病的有用代理。”

问:您的执行功能研究的目标是什么?

m:从双胞胎研究中我们知道执行功能是高度遗传的。如果你测量同卵双胞胎，你会发现他们的执行功能比异卵双胞胎更相似。我与Illumina公司合作，在莫纳什大学(Monash University)研究了一大批健康个体，他们接受了执行功能测量的筛查或评估。我们使用GWAS和WES来寻找执行功能个体差异的常见和罕见的变异关联。最终，我们需要进行非常大规模的研究才能使这项研究取得成功。

与Illumina的合作使我们有机会探索执行功能的遗传学。如果我们能找到与个体差异相关的基因变异，那么我们就可以开发一种针对不同基因组区域的靶向芯片，并有可能将其用作一系列以执行控制问题为标志的疾病的筛查工具，从多动症到精神分裂症。

问:您是否已经开始NGS研究以确定与执行功能相关的变异?

m:2018年，我们刚刚使用NovaSeq 6000系统启动了一项WES研究。我们目前正在等待测序数据返回给我们。我们使用莫纳什大学的数据库，其中包括1200名健康的年轻人的DNA样本和详细的表型信息，这些样本将用作正常对照，以及1800名患有多动症的儿童及其父母的样本(600组)。

与此同时，我们也在进行联合研究，并开发了一种基于实验室的协议，以评估人们在不适当或不需要的行为时抑制自己行为的能力。与一个国际联盟合作，我们正在对该性状进行GWAS检测，看看能否识别出反应抑制的遗传基质。有了来自该联盟的大约10,000个样本，我们有真正的潜力展示一些有趣的东西。

问:在最初的研究中，您为什么选择使用WES而不是WGS ?

m:WGS将是ADHD研究的理想平台，因为我们相信在这些障碍中非编码变异的贡献很大，我们可以用WGS比WES更好地调查非编码变异。然而，我们目前的协议受到成本限制的驱动。目前，WES比WGS更具成本效益。我们使用的方法有外显子组捕获以及一些非编码区域如内含子-外显子边界和非翻译区域的捕获。

随着成本的降低和方法的改进，WGS将成为一种高效、经济的方法，用于研究注意力缺陷多动障碍和其他我们认为非编码区域至关重要的疾病。ENCODE项目已经表明，非编码变体可能与一大堆复杂的特征相关。

“我们的工作有可能为基于遗传变异相关分层的个性化医疗方法提供信息。”

问:WES和WGS将如何整合到您的系统神经科学方法中?

m:NGS是我们治疗ADHD的系统神经科学方法的一个重要元素。NGS吸引我的部分原因是它可以识别致病突变，然后将其放入细胞系进行功能验证。我们刚刚开始为多动症创造诱导多能干细胞(iPSCs)。我们希望利用这些细胞工程突变，我们发现可能导致多动症的iPSCs，然后分化成神经元。我们有一个生物学假设，多巴胺神经元对多动症有功能障碍，但我们实际上没有任何客观证据来证明这一点。ipsc衍生的神经元是一种很有价值的方法来验证这一假设，并测试基因突变对多巴胺信号传递的影响。

从现在开始，我们的愿望是发展ADHD病理的机制解释。这就是为什么我要用测序。我们可以使用iPSC技术识别出能够立即进行功能验证的突变。我们可以看到变异对细胞功能的影响。然后，我们可以寻找证据，证明该基因改变了大脑的结构、功能或连接模式，以及寻找执行功能的客观问题。系统神经科学方法将帮助我们闭合遗传风险和我们在临床中看到的实际ADHD表型之间的循环。

问:CogChip将包括哪些变量?它将如何支持ADHD研究?

m:我们目前的研究将有助于CogChip的构建。我们预计CogChip将有一个共同的变异主干，并将丰富我们从测序协议中发现的罕见变异，以及在大型联盟研究中发现的与大脑或认知功能相关的变异。我想它将类似于Illumina PsychArray，除了它将增加我们在执行功能和大脑功能中广泛看到的变体。

问:如何使用CogChip来指导ADHD诊断和个性化治疗的发展?亚博下载app

m:我们相信CogChip可以成为一种筛查工具的基础，因为执行功能是广泛不同临床疾病的有用代理。我们可能会用它来筛选我们感兴趣的任何性状的遗传责任。它还可以用于早期检测和诊断，以及对人群进行分层，以研究潜在的药物治疗或个性化医疗策略。可能会有广泛的应用。

问:您的研究将如何影响我们对多动症的理解?

m:ADHD的诊断是主观的。我们知道这是一种大量异质性的疾病，有许多共病和亚型。不幸的是，来自过去GWAS的数据将所有多动症患者分组，就好像他们患有相同形式的障碍一样。它假设他们有相似的潜在病理生理，这几乎可以肯定是不正确的。我们的多动症基因研究的一个好处是，看看是否有集群、症状或认知行为与大脑结构或功能异常有关。这些信息将支持病例的分层，并有可能识别出该疾病不同亚型的独特遗传特征。这最终将有助于诊断。

目前，临床医生没有任何东西可以告诉他们一个孩子是否会对药物产生反应。因此，他们在试验和错误的基础上开ADHD药物。我们的工作有潜力为基于遗传变异相关分层的个性化医疗方法提供信息。对于多动症，像哌醋甲酯或利他林的治疗效果可能因多基因风险而异。基因筛查可以识别出这些风险。

问:你如何看待认知神经科学领域利用基因组学的力量?

m:通过理解执行功能的遗传学和认知的不同方面，而不考虑特定的临床病理，我们可以更好地理解个体思维的差异以及介导这些差异的大脑回路。

通过建立这些认知的机制路径，我们可以更好地理解不同临床疾病的问题出在哪里。我不认为这两种方法是相互排斥的。我认为它们可以互相加强，互相反馈。

测序将是帮助我们更好地了解大脑功能的有力工具。我们是第一个将NGS用于研究执行功能或多动症的人，我对它可能帮助我们发现的东西感到非常兴奋。

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