精神分裂癥表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展

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精神分裂癥表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展

趙婧1，邢洪源1，劉純巖2，張萱2，王珍琦1*

((1．吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生部放射生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130021；2.吉林大學(xué)第二醫(yī)院，吉林 長春130041)

精神分裂癥是以基本個(gè)性改變、思維、情感、行為的分裂、精神活動(dòng)與環(huán)境的不協(xié)調(diào)為主要特征的一類最常見的精神疾病。精神分裂癥的發(fā)病機(jī)理主要是腦內(nèi)遞質(zhì)出現(xiàn)異常，導(dǎo)致腦內(nèi)存在病變，而遺傳因素和環(huán)境因素在精神分裂癥的發(fā)病過程中均起到重要作用，可能是兩者相互作用共同導(dǎo)致精神分裂癥的發(fā)作。環(huán)境因素主要是通過基因突變和表觀遺傳學(xué)改變來實(shí)現(xiàn)兩者交互作用。基因型完全相同的單卵雙生子，同時(shí)患有通神分裂癥的幾率只有50%[1]，說明并不是只有基因的變化導(dǎo)致疾病，表觀遺傳學(xué)解釋了在不改變基因型的情況下環(huán)境如何致病。表觀遺傳學(xué)的機(jī)制包括DNA甲基化、組蛋白修飾、microRNA、染色質(zhì)重塑、基因組印記、X染色體失活等。本文將從與精神分裂癥相系密切的的DNA甲基化、組蛋白修飾和microRNA幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1DNA甲基化與精神分裂癥

1.1　DNA甲基化機(jī)制

DNA甲基化是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)的作用下，在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶 5' 碳位共價(jià)鍵結(jié)合一個(gè)甲基基團(tuán)，被修飾成5甲基胞嘧啶(5mC)，5mC大部分存在于CpG二聯(lián)核苷，CpG串聯(lián)排列，形成CpG島。CpG島常常在基因的啟動(dòng)子區(qū)域富集，CpG島甲基化使基因沉默，用于調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。目前已有許多相關(guān)基因的甲基化顯示與精神分裂癥有密切聯(lián)系，以下是相關(guān)基因的致病機(jī)理。

1.2　DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)

體內(nèi)DNA最直接的甲基化過程主要依靠DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶共包括DNMT1、DNMT2和DNMT3，DNMT1是其中維持甲基化最主要的酶，DNMT1通過鋅指結(jié)構(gòu)與相關(guān)基因中富含未甲基化的CpG啟動(dòng)子區(qū)域相連接從而甲基化相關(guān)基因的啟動(dòng)子，降低基因表達(dá)程度，這可能是GABA能和谷氨酸能神經(jīng)元相關(guān)遞質(zhì)基因表達(dá)下調(diào)的潛在機(jī)制[2]。

尸檢中發(fā)現(xiàn)精神分裂癥和雙相情感障礙患者前額皮質(zhì)和海馬中的GAD1，RELN，BDNF表達(dá)降低是與DNMT1過表達(dá)密切相關(guān)的[3]。DNMT3包括DNMT3a 和 DNMT3b，又稱為重新甲基轉(zhuǎn)移酶，其作用是建立新的甲基化模式，與 DNMT1 相互協(xié)作共同完成甲基化[4]。我們了解到DNA甲基轉(zhuǎn)移酶不僅可以直接對DNA的啟動(dòng)子甲基化，也可以關(guān)聯(lián)相關(guān)的高位基因共同致病。

1.3　兒茶酚胺氧位甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)

兒茶酚胺氧位甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)是一種單胺類遞質(zhì)代謝酶，是通過S-腺苷甲硫氨酸來降解兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)如多巴胺和去甲腎上腺素的關(guān)鍵酶，可以翻譯成膜結(jié)合型 (MB-COMT) 和可溶型 (S-COMT) 兩種亞型，致病機(jī)制依賴于多巴胺遞質(zhì)假說，MB-COMT主要負(fù)責(zé)大腦中多巴胺的代謝，患者腦組織中MB-COMT的啟動(dòng)子被甲基化，使得MB-COMT基因表達(dá)增加[5]，導(dǎo)致多巴胺功能失調(diào)，多巴胺遞質(zhì)的功能涉及到注意、記憶、執(zhí)行和認(rèn)知等大腦活動(dòng)，當(dāng)COMT的甲基化影響到多巴胺信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路時(shí)，患者會(huì)出現(xiàn)較為明顯的認(rèn)知障礙，多巴胺被認(rèn)為是精神分裂癥陽性癥狀如幻覺和妄想等的主要致病原因，了解COMT在多巴胺通路中的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制,是研究精神分裂癥的重要切入點(diǎn)[6]。

1.4　絡(luò)絲蛋白(RELN)

RELN是主要聚集在7號(hào)染色體上可以編碼細(xì)胞外基質(zhì)蛋白R(shí)eelin蛋白的基因，RELN所編碼的Reelin蛋白是由γ-氨基丁酸(GABA)能中間神經(jīng)元分泌，對于神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)遷移、軸突形成和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)來說是必不可少的，同時(shí)Reelin蛋白還參與了成年人的突觸和行為可塑性的長時(shí)程效應(yīng)[7,8]。在尸檢結(jié)果中發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者前額葉皮質(zhì)RELN基因?qū)?yīng)的 mRNA 表達(dá)下調(diào)了50%，但是在DNA序列中未能找到引起基因表達(dá)改變的突變，卻發(fā)現(xiàn)了RELN基因啟動(dòng)子CpG島呈現(xiàn)高度甲基化的信號(hào)，進(jìn)一步研究表明過表達(dá)的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT1)利用L-甲硫氨酸提供的甲基，將GABA能神經(jīng)元分泌的RELN基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG島甲基化，從而降低了Reelin蛋白的活性[9]。所以，RELN基因啟動(dòng)子區(qū)域的明顯甲基化可能是精神分裂發(fā)病的分子基礎(chǔ)之一。

1.5　腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 (BDNF)

BDNF 作為神經(jīng)營養(yǎng)因子家族中的主要成員之一，在大腦神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育時(shí)期起到了關(guān)鍵作用， BDNF能促進(jìn)多種神經(jīng)元的存活和發(fā)育，與其可塑性密切相關(guān)。這為精神分裂癥的神經(jīng)發(fā)育障礙學(xué)說提供了重要依據(jù)。神經(jīng)發(fā)育障礙理論認(rèn)為在神經(jīng)發(fā)育過程中，某些腦區(qū)神經(jīng)元排列和遷徙的異常、神經(jīng)元之間信號(hào)傳導(dǎo)的異常，是精神分裂癥的病理基礎(chǔ)[10]。BDNF在神經(jīng)元細(xì)胞中通過高親和性受體絡(luò)氨酸受體激酶B(TrkB)和低親和性受體P75進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的改變，調(diào)節(jié)腦的功能與個(gè)體的行為[11]。而在精神分裂患者腦中， BDNF基因?qū)?yīng)的mRNA和蛋白表達(dá)水平均降低，這與基因的轉(zhuǎn)錄活性密切相關(guān)，已有研究證實(shí)，組蛋白甲基化以及DNA啟動(dòng)子上CpG甲基化使轉(zhuǎn)錄活性降低，啟動(dòng)子甲基化是其中最主要的病理機(jī)制，BDNF基因共有9種非編碼活性的啟動(dòng)子，甲基化主要作用在I,IV,VI三種啟動(dòng)子來調(diào)控轉(zhuǎn)錄[12]，BDNF 的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程可能是導(dǎo)致精神分裂癥的原因之一。

1.6　5-羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(5-HTT)

5-羥色胺是大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)中分布非常廣泛的神經(jīng)遞質(zhì)，作為信號(hào)傳導(dǎo)的遞質(zhì)，5-HT具有多種生理功能，與覺醒水平、神經(jīng)發(fā)展功能、成人的大腦塑造方面密不可分。5-HT在大腦中傳遞時(shí)需要5-羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(5-HTT)作為載體，5-HTT通過決定5-HT突觸信號(hào)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間而對5-羥色胺能神經(jīng)遞質(zhì)起到關(guān)鍵作用[13]。5-HTT基因的甲基化是重要的調(diào)節(jié)方式，5-HTT基因啟動(dòng)子區(qū)CpG島內(nèi)位點(diǎn)被高度甲基化，致使5-HTT的mRNA轉(zhuǎn)錄下降，表現(xiàn)出精神分裂癥I型癥狀。精神分裂癥Ⅰ型臨床表現(xiàn)主要以幻覺妄想等陽性癥狀為主，與神經(jīng)生化改變關(guān)系比較大，具有較高的遺傳性[14]。5-HTT對于精神分裂的致病還有很多間接方面，5-HTT表達(dá)影響5-HT2A受體和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BNDF)水平，患者出現(xiàn)情緒調(diào)節(jié)障礙等癥狀。5-HTT甲基化后5-HT在前額皮質(zhì)傳遞受阻，無法對大腦皮質(zhì)產(chǎn)生適度抑制，從而使多巴胺能神經(jīng)元活動(dòng)亢進(jìn)，也會(huì)產(chǎn)生陽性癥狀。

2組蛋白修飾與精神分裂癥

組蛋白是構(gòu)成染色質(zhì)的重要物質(zhì)，由各兩分子的H2A、H2B、H3、H4這4種組蛋白與DNA纏繞包裹在一起，組成核小體，組蛋白H1為連接蛋白，組蛋白尾部的氨基酸殘基可以被共價(jià)修飾，包括甲基化、乙酰化、SOMO化、磷酸化和泛素化等等。經(jīng)過修飾的組蛋白就可以影響染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性，不同的修飾可以使基因產(chǎn)生不同的功能性改變[15]，例如SUMO修飾與基因表達(dá)有關(guān)，賴氨酸殘基乙酰化可以確定染色質(zhì)區(qū)域是否存在潛在的高水平基因表達(dá)。其中組蛋白乙酰化和去乙酰化對于轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)具有重要作用。染色質(zhì)去乙酰化水平的提高抑制基因轉(zhuǎn)錄,乙酰化增加則增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性。賴氨酸殘基的組蛋白修飾可以調(diào)節(jié)啟動(dòng)子的活性，最多可能有單、雙及三甲基化三種形式，如組蛋白H3的賴氨酸4三甲基化調(diào)控活性基因的啟動(dòng)子，進(jìn)而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。組蛋白殘基修飾復(fù)雜性的例子包括：H3的賴氨酸9、27的甲基化和H4的賴氨酸20的甲基化。在這些組蛋白氨基酸殘基單甲基化可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，而雙甲基化和三甲基化與是阻礙轉(zhuǎn)錄活性[16]。簡而言之，組蛋白乙酰化與染色質(zhì)線性解螺旋狀態(tài)有關(guān),組蛋白乙酰化誘導(dǎo)染色質(zhì)解螺旋，處于松散狀態(tài)，暴露更多基因位點(diǎn)，促進(jìn)基因表達(dá)。反之，組蛋白去乙酰化使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更加緊密，不利于基因表達(dá)。例如在染色質(zhì)復(fù)制環(huán)形成時(shí)它可以使數(shù)千萬個(gè)堿基對外的增強(qiáng)子和其他調(diào)控序列從基因位點(diǎn)分離，改變空間結(jié)構(gòu)，與啟動(dòng)子結(jié)合。這時(shí)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)和去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)相互拮抗，對組蛋白進(jìn)行作用完全相反的調(diào)節(jié)。HATs對組蛋白的特定賴氨酸殘基進(jìn)行乙酰化，HDACs則進(jìn)行去乙酰化。HATs分為五種序列相似、特異性相關(guān)的家族， HDACs通常在動(dòng)植物和真菌中主要有三類(Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ)。I包括HDAC1/2/3/8，IIa包含HDAC4/5/7/9，IIb包括HDAC6/10，HDAC11是Ⅳ的典型代表。HDACs都需要Zn2+作為輔助因子，按照催化結(jié)合區(qū)鋅離子位點(diǎn)的不同分類，這也解釋了為什么許多組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDACi)為非特異性的，可以作用于多種HDACs[17]。

組蛋白的乙酰化并不是單一的作用因素，組蛋白乙酰化與DNA甲基化過程密切相關(guān)，如MeCP2與甲基化的DNA結(jié)合后,可以募集組蛋白去乙酰化酶(HDACs)，誘導(dǎo)組蛋白去乙酰化[16]。

在收集19例精神分裂癥患者死后腦組織的額葉前皮質(zhì)與對照組比較發(fā)現(xiàn)，陽性組在額葉皮質(zhì)Ⅰ類組蛋白去乙酰化酶的表達(dá)顯著增加，研究人員推測部分雙相情感障礙患者也有相同的改變[18]，這為組蛋白成為精神分裂癥的病因提供了一個(gè)有意義的分子病理學(xué)基礎(chǔ)。 最近研究表明，組蛋白乙酰化與記憶調(diào)控的可塑性機(jī)制有關(guān)，即組蛋白乙酰化失控可能是許多認(rèn)知障礙疾病的原因。

3微小RNA(microRNA，miRNA)

隨著對基因表達(dá)研究的深入，原來被認(rèn)為是毫無用處的非編碼RNA逐漸走進(jìn)大家的視野，自從在線蟲中首次發(fā)現(xiàn)了lin-4、let-7這兩種miRNA后，microRNA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控功能慢慢為人認(rèn)可[19]。MicroRNA是含有21-23個(gè)堿基的單鏈小分子非編碼RNA，microRNA起源于內(nèi)含子區(qū)域，先轉(zhuǎn)錄成為大約70-90nt的較大的miRNA前體pri-miRNA，此時(shí)的pri-miRNA通常具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并且可以運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)，被核糖核酸酶III-Dicer水解為不穩(wěn)定的雙鏈RNA，這種松散的RNA其中一條單鏈隨后會(huì)結(jié)合到RNA又誘導(dǎo)基因沉默復(fù)合體(RNA-induced silencing complex，RISC)上，成為非對稱RISC復(fù)合物，在單鏈miRNA的調(diào)控下作用于mRNA的3'-非翻譯區(qū)，與特異性的靶基因相互作用，抑制基因的轉(zhuǎn)錄。MicroRNA在大腦神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)方面作用顯著，決定了神經(jīng)元增殖、分化和突觸可塑性。一系列的miRNA目的基因可以形成一個(gè)功能相關(guān)的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中一種miRNA出現(xiàn)異常時(shí)都可以影響整個(gè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)，產(chǎn)生多基因紊亂的表型如精神分裂癥[20]。MicroRNA的種類繁多，作用方式也多種多樣，其中miR-137、hsa-miR-219a-5p等多種miRNA家族成員與精神疾病發(fā)病相關(guān)，microRNA位于啟動(dòng)子附近的CpG島附近，可以產(chǎn)生甲基化來控制DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)、甲基化CpG島結(jié)合蛋白2(MeCP2)表達(dá)水平，也可以影響組蛋白修飾來抑制神經(jīng)元成熟[21]。MicroRNA的家族還在不斷壯大，其中的致病機(jī)理尚未完全明確，因此依舊需要進(jìn)一步的研究探索，用以指導(dǎo)精神病患者的治療。

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(收稿日期：2015-05-12)

文章編號(hào)：1007-4287(2015)07-1217-04

*通訊作者

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助課題(30800363)；白求恩醫(yī)學(xué)部青年科研基金項(xiàng)目