线粒体失调作为自闭症谱系障碍发病机制的核心机制

《Journal of Neuroimmunology》：Mitochondrial dysregulation as a central mechanism in autism spectrum disorder pathogenesis

本研究通过母体免疫激活（MIA）和高风险基因敲除模型，探讨线粒体功能障碍及代谢紊乱在自闭症谱系障碍（ASD）中的机制。转录组分析显示胎儿脑组织在OXPHOS、TCA循环等代谢通路存在显著失调，且单细胞测序揭示了神经元与胶质细胞特异性代谢异常。与PTEN敲除模型及人类胎儿脑图谱数据对比，确认线粒体代谢失衡是ASD的共同病理特征，为靶向治疗提供新思路。

　　

廖晓丽|邵静琪|陈志辉

中国湖南省长沙市湖南省人民医院

摘要

自闭症谱系障碍（ASD）是一种复杂的神经发育障碍，受遗传倾向和环境因素的影响。然而，将产前环境干扰与神经发育障碍联系起来的确切分子机制仍不明确。本研究使用多种临床前模型（包括母体免疫激活（MIA）和高风险基因敲除模型）探讨了线粒体功能障碍和代谢紊乱在ASD发病机制中的作用。我们对这些模型中的胎儿小鼠脑组织进行了转录组分析，以识别与线粒体和代谢途径相关的差异表达基因（DEGs）。通过基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）等工具进行的功能富集分析显示，氧化磷酸化、三羧酸（TCA）循环和能量代谢等途径存在显著紊乱。这些发现表明线粒体功能障碍可能是导致ASD代谢失衡的核心机制。与公开的PTEN敲除模型RNA-seq数据集的比较分析揭示了共性和独特的代谢特征。MIA模型的单细胞RNA-seq数据进一步确定了不同神经元和胶质细胞群体中的细胞类型特异性代谢改变。此外，人类胎儿单细胞图谱分析强调了这些代谢途径在人类大脑发育中的重要性。总体而言，这些结果突出了线粒体代谢作为ASD潜在治疗靶点的作用，为理解该疾病的分子基础提供了见解。

引言

自闭症谱系障碍（ASD）是一组异质性的神经发育障碍，其特征是社交沟通缺陷和重复性刻板行为，以及一系列相关症状（Lord等人，2000年）。近年来，ASD的全球患病率急剧上升（Blumberg等人，2013年；Christensen等人，2016年），目前估计美国约有1/54的儿童患有ASD（Maenner等人，2020年）。这一令人担忧的流行病学趋势凸显了阐明ASD复杂分子机制的紧迫性，因为这些见解有助于开发有效的治疗干预措施。

尽管ASD的确切病因尚未完全明了，但越来越多的证据支持多因素模型，即遗传易感性和神经发育关键时期的环境暴露共同影响ASD的发病机制。流行病学研究一致指出，孕期母体感染是ASD的重要环境风险因素，

特定传染病的爆发与后代神经发育障碍率的增加有关（Brown和Meyer，2018年；Han等人，2021年）。这些发现表明，产前免疫紊乱可能在ASD的发展中起关键作用，因此迫切需要揭示这种关系的分子基础。

尽管通过全基因组研究已经确定了1200多个与ASD相关的基因位点，但已知的基因变异仅占ASD病例的一小部分（约15-20%），这表明非遗传因素的重要性。值得注意的是，大型队列研究表明，母体感染是ASD风险的重要因素（Gillespie等人，2024年）。临床前和临床证据表明，孕期母体病毒或细菌感染可引发母体免疫激活（MIA），这是ASD发病机制的核心机制（Han等人，2021年；Gardner等人，2025年）。

例如，妊娠第二期的母体流感感染会使后代的ASD风险增加近四倍（Holingue等人，2020年）。通过给予聚肌苷酸：聚胞苷酸（poly(I:C)）或脂多糖（LPS）来模拟母体感染的动物模型已被严格开发，以建立MIA的可靠范式（Fernández de Cossío等人，2017年）。值得注意的是，这些模型中的神经发育结果是由母体免疫反应驱动的，而非特定病原体，这进一步强调了免疫激活在塑造ASD结果中的作用（Delorme等人，2025年）。尽管越来越多的人认识到MIA是ASD的关键因素，但产前免疫挑战如何扰乱神经发育的具体分子途径仍不完全清楚。这一知识空白强调了研究母体免疫紊乱如何影响胎儿大脑发育的紧迫性，这可能有助于理解ASD的病理生理机制。

线粒体作为整合细胞内信号与环境线索的中心枢纽，位于基因-环境相互作用的交汇点。越来越多的证据表明，线粒体功能障碍是ASD病理生理的关键因素（Chalkia等人，2017年；Goh等人，2014年）。这一联系最初由Coleman和Blass（1985年）提出，并得到Lombard（1998年）的进一步支持，现在越来越被认为是主要的致病机制，而不仅仅是次要或偶然的特征。线粒体损伤是ASD中最常见的代谢紊乱之一，导致从认知功能障碍到多种行为障碍的各种临床表现（Frye和Rossignol，2011年；Correia等人，2006年）。不同研究中线粒体功能障碍的患病率差异很大，荟萃分析中为5%（Rossignol和Frye，2012年），而在病例对照研究中高达80%（Giulivi等人，2010年），显著高于普通人群的患病率（约5/100,000）（Skladal等人，2003年；Schaefer等人，2004年）。

鉴于大脑对能量的极高需求，线粒体在维持神经元功能和确保生物能量平衡中的作用尤为重要。ASD中的线粒体功能障碍被认为会破坏正常的神经发育所需的代谢稳态，影响神经元分化、突触可塑性和整体大脑发育所需的代谢可塑性。这种失调可能触发一系列病理生理事件，导致ASD特有的神经发育缺陷。因此，全面研究ASD背景下的线粒体功能障碍不仅对于阐明该疾病的潜在机制至关重要，也有助于寻找缓解ASD相关神经生物学缺陷的创新治疗策略。

线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）生成ATP，将三羧酸（TCA）循环与电子传递链（ETC）耦合起来（Amorim等人，2022年）。线粒体结构包括外膜、包含ETC复合体的内膜、膜间空间和基质，TCA循环发生在基质中（Nunnari和Suomalainen，2012年；Giacomello等人，2020年）。ETC复合体组装成超分子结构，使ATP合成效率更高，OXPHOS每个葡萄糖分子可产生约32个ATP，而糖酵解仅产生2个ATP。

虽然大多数真核细胞主要依赖OXPHOS（约占其能量产生的90%），但糖酵解和OXPHOS之间的平衡取决于细胞类型和代谢状态（Mookerjee等人，2017年）。线粒体拥有自己的基因组（mtDNA），编码13种对ETC功能至关重要的多肽，以及线粒体蛋白质合成所需的rRNA和tRNA（Wallace，2013年）。mtDNA与核DNA（nDNA）协同工作，后者编码超过850种对OXPHOS和线粒体生物发生调节至关重要的线粒体蛋白质（Wallace，2018年）。mtDNA和nDNA的双重遗传控制对于维持线粒体完整性和细胞能量稳态至关重要。由于缺乏保护性组蛋白、修复能力有限以及暴露于活性氧，mtDNA特别容易发生突变；mtDNA或nDNA的突变都会损害ETC功能并导致能量缺陷（DiMauro和Schon，2003年；Pakendorf和Stoneking，2005年；Napoli等人，2013年）。

与其他细胞类型相比，神经元中的线粒体密度显著更高，因此线粒体功能障碍对大脑发育和功能有深远影响。尽管神经元仅占身体质量的约2%，但大脑消耗了大约20%的基础代谢能量和超过25%的葡萄糖（Attwell和Laughlin，2001年）。神经元中的线粒体功能障碍会损害突触活动，阻碍神经回路形成，并影响大脑可塑性，所有这些都会导致ASD常见的认知和行为缺陷。

ASD的发病机制涉及遗传易感性和环境因素之间的复杂相互作用，但这些相互作用的分子机制尚未得到充分研究。MIA是一个公认的环境风险因素，而线粒体功能障碍是临床群体中反复出现的病理特征。然而，这些现象之间的精确关系尚未在转录组水平上进行系统研究。发育中的大脑由于其对神经发生、神经元迁移和突触形成的极高能量需求而特别容易受到代谢紊乱的影响。因此，线粒体功能障碍可能成为不同遗传和环境风险因素共同干扰典型神经发育的关键节点。然而，关于线粒体失调是否是不同疾病模型中的共同病理途径、这些代谢紊乱如何在异质细胞群体中表现，以及临床前发现如何在人类神经发育背景下体现，仍存在大量知识空白。

本研究采用多方面的转录组方法，分析了MIA模型和具有高置信度ASD风险突变的遗传模型的胎儿脑组织。包括批量组织测序和单细胞分辨率分析在内的全面分析将系统地描绘这些互补模型中的代谢途径紊乱。比较分析将区分保守的代谢特征和模型特异性改变，而与人类胎儿脑数据的整合将评估所识别途径的转化相关性。最终，这项研究旨在确立线粒体功能障碍作为ASD发病机制的整合机制，将上游遗传和环境因素与下游神经发育障碍联系起来，从而为开发针对神经发育障碍的代谢平衡恢复的靶向治疗策略提供依据。

部分摘录

基因表达数据集

基因表达数据集从Gene Expression Omnibus（GEO）数据库获取（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/）。使用GPL6247平台获得的GSE34058数据集（Oskvig等人，2012年）包含19个胎儿小鼠脑样本：10个来自生理盐水对照组，9个来自MIA诱导的ASD模型组。使用GPL19057平台获得的GSE148237数据集（Kalish等人，2021年）包含32个胎儿小鼠脑样本：16个来自PBS对照组，16个来自

MIA模型中差异表达基因的选择

使用R语言的limma包评估GSE34058数据集中MIA诱导的ASD模型和生理盐水对照组之间的基因表达谱差异。共鉴定出865个DEGs，其中623个上调基因，242个下调基因，基于|log?FC| > 0.5和调整后的p值<0.05。

图1显示了DEG结果的火山图。y轴表示调整后p值的负对数（以10为底），而x轴

讨论

本研究通过多种临床前模型（包括MIA和高风险基因敲除）的全面转录组分析，阐明了线粒体功能障碍和代谢紊乱在ASD发病机制中的核心作用。我们的分析突出了关键代谢途径的显著失调，特别是涉及氧化磷酸化、三羧酸循环和脂肪酸代谢的途径，提供了有力的证据

结论

ASD是一种复杂的神经发育障碍，由遗传和环境因素共同作用形成，其中线粒体功能障碍是其发病机制的核心组成部分。研究表明，线粒体功能障碍可能是由于神经发育障碍引起的，也可能代表一种独特的病理亚型。神经系统的巨大代谢需求依赖于神经元和胶质细胞的协调活动

CRediT作者贡献声明

廖晓丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，项目管理，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。邵静琪：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，数据管理。陈志辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，正式分析，数据管理，概念化。

未引用的参考文献

Bordone等人，2019

Bouzier-Sore和Pellerin，2013

Camandola和Mattson，2017

Dienel，2019

Esvap和Ulgen，2023

Hayakawa等人，2016

Kato等人，2023

Kracht等人，2020

Oliveira等人，2005

Rocca等人，2017

Volkenhoff等人，2015

Wang等人，2011

Weissman等人，2008

Yin等人，2016

Yu和Pekkurnaz，2018

利益冲突声明

无。