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精神分裂癥表觀遺傳學(xué)研究進展

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)重點實驗室，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性改變、思維、情感、行為的分裂、精神活動與環(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)改變來實現(xiàn)兩者交互作用?；蛐屯耆嗤膯温央p生子，同時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幾個方面進行綜述。

1DNA甲基化與精神分裂癥

1.1　DNA甲基化機制

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' 碳位共價鍵結(jié)合一個甲基基團，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。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啟動子區(qū)域相連接從而甲基化相關(guān)基因的啟動子，降低基因表達程度，這可能是GABA能和谷氨酸能神經(jīng)元相關(guān)遞質(zhì)基因表達下調(diào)的潛在機制[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表達降低是與DNMT1過表達密切相關(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，致病機制依賴于多巴胺遞質(zhì)假說，MB-COMT主要負責大腦中多巴胺的代謝，患者腦組織中MB-COMT的啟動子被甲基化，使得MB-COMT基因表達增加[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)行和認知等大腦活動，當COMT的甲基化影響到多巴胺信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路時，患者會出現(xiàn)較為明顯的認知障礙，多巴胺被認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傳導(dǎo)機制,是研究精神分裂癥的重要切入點[6]。

1.4　絡(luò)絲蛋白(RELN)

RELN是主要聚集在7號染色體上可以編碼細胞外基質(zhì)蛋白Reelin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、軸突形成和細胞信號傳導(dǎo)來說是必不可少的，同時Reelin蛋白還參與了成年人的突觸和行為可塑性的長時程效應(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 表達下調(diào)了50%，但是在DNA序列中未能找到引起基因表達改變的突變，卻發(fā)現(xiàn)了RELN基因啟動子CpG島呈現(xiàn)高度甲基化的信號，進一步研究表明過表達的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)育時期起到了關(guān)鍵作用， BDNF能促進多種神經(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進行細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)的級聯(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，組蛋白甲基化以及DNA啟動子上CpG甲基化使轉(zhuǎn)錄活性降低，啟動子甲基化是其中最主要的病理機制，BDNF基因共有9種非編碼活性的啟動子，甲基化主要作用在I,IV,VI三種啟動子來調(diào)控轉(zhuǎn)錄[12]，BDNF 的動態(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在大腦中傳遞時需要5-羥色胺轉(zhuǎn)運體(5-HTT)作為載體，5-HTT通過決定5-HT突觸信號的強度和持續(xù)時間而對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基因啟動子區(qū)CpG島內(nèi)位點被高度甲基化，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)元活動亢進，也會產(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修飾，包括甲基化、乙?；?、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修飾與基因表達有關(guān)，賴氨酸殘基乙?；梢源_定染色質(zhì)區(qū)域是否存在潛在的高水平基因表達。其中組蛋白乙?；腿ヒ阴；瘜τ谵D(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?；黾觿t增強轉(zhuǎn)錄活性。賴氨酸殘基的組蛋白修飾可以調(diào)節(jié)啟動子的活性，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)控活性基因的啟動子，進而調(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?；c染色質(zhì)線性解螺旋狀態(tài)有關(guān),組蛋白乙?；T導(dǎo)染色質(zhì)解螺旋，處于松散狀態(tài)，暴露更多基因位點，促進基因表達。反之，組蛋白去乙?；谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)更加緊密，不利于基因表達。例如在染色質(zhì)復(fù)制環(huán)形成時它可以使數(shù)千萬個堿基對外的增強子和其他調(diào)控序列從基因位點分離，改變空間結(jié)構(gòu)，與啟動子結(jié)合。這時組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)和去乙?；?histone deacetylases，HDACs)相互拮抗，對組蛋白進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行乙?；?，HDACs則進行去乙?；ATs分為五種序列相似、特異性相關(guān)的家族， HDACs通常在動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)鋅離子位點的不同分類，這也解釋了為什么許多組蛋白去乙?；敢种苿?HDACi)為非特異性的，可以作用于多種HDACs[17]。

組蛋白的乙?；⒉皇菃我坏淖饔靡蛩?，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?；傅谋磉_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有意義的分子病理學(xué)基礎(chǔ)。 最近研究表明，組蛋白乙?；c記憶調(diào)控的可塑性機制有關(guān)，即組蛋白乙?；Э乜赡苁窃S多認知障礙疾病的原因。

3微小RNA(microRNA，miRNA)

隨著對基因表達研究的深入，原來被認為是毫無用處的非編碼RNA逐漸走進大家的視野，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)控功能慢慢為人認可[19]。MicroRNA是含有21-23個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，此時的pri-miRNA通常具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并且可以運輸?shù)郊毎|(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功能相關(guān)的表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，其中一種miRNA出現(xiàn)異常時都可以影響整個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的表達，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，其中的致病機理尚未完全明確，因此依舊需要進一步的研究探索，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：1007-4287(2015)07-1217-04

*通訊作者

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