侯卓良，岳瑩瑩，袁勇貴,

(1.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009； 2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 心理精神科，江蘇 南京 210009)

抑郁癥(major depressive disorder，MDD)是最常見的精神疾病之一，終身患病率約為10.8%[1]，全球約有3.2億人罹患此病[2]。2019年最新數(shù)據(jù)顯示我國MDD終身患病率達(dá)3.4%，據(jù)此估計，約有4 420萬人罹患此病[3]。MDD已成為困擾人類身心健康的重大精神疾患，給患者、家庭和社會帶來沉重負(fù)擔(dān)。然而，MDD受遺傳、社會環(huán)境、心理應(yīng)激等多種因素交互作用的影響，其具體發(fā)病機(jī)制目前尚不明確。雙胞胎研究顯示，MDD的遺傳度為31%～42%[4]。因此，遺傳學(xué)研究有助于進(jìn)一步挖掘MDD的發(fā)病機(jī)制，為MDD的預(yù)防和治療提供理論依據(jù)。

MDD現(xiàn)行的診斷標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)患者的臨床癥狀群，診斷的一致性較差，MDD人群的異質(zhì)性高，給MDD遺傳學(xué)機(jī)制闡明帶來巨大困難。因此，研究者提出可以使用“中間表型”(intermediate phenotype)代替疾病表型進(jìn)行研究。中間表型是指介于基因型和臨床疾病表型之間的可測量的性狀[5]，在精神疾病中，神經(jīng)結(jié)構(gòu)、功能是常見的中間表型。由于中間表型是可測量的客觀指標(biāo)，可以減少疾病診斷異質(zhì)性和自我報告偏倚對研究結(jié)果的影響[6]。

影像遺傳學(xué)(imaging genetics)是一種遺傳關(guān)聯(lián)方法，通過影像學(xué)技術(shù)檢測遺傳變異對神經(jīng)精神疾病的相關(guān)腦結(jié)構(gòu)和功能的影響[7]。最初影像遺傳學(xué)僅研究遺傳變異- 影像中間表型- 疾病表型的傳遞通路，隨后環(huán)境因素也被納入影像遺傳學(xué)的研究范疇，研究基因- 環(huán)境交互作用、基因- 環(huán)境- 腦- 疾病各環(huán)節(jié)間的直接間接關(guān)聯(lián)等。如今，影像遺傳學(xué)研究已成為深入理解精神疾病生物學(xué)機(jī)制的重要工具。

影像遺傳學(xué)方法用于MDD生物學(xué)機(jī)制研究已有多年，作者總結(jié)近年來研究不同類型遺傳變異的MDD影像遺傳研究，根據(jù)所研究的遺傳變異的類型，影像遺傳研究可以分為4類：(1) 基于單基因的影像遺傳學(xué)研究；(2) 基于多基因的影像遺傳學(xué)研究；(3) 基于通路基因的影像遺傳學(xué)研究；(4) 基于全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome- wide association study，GWAS)的影像遺傳學(xué)研究。此外，上述研究通常使用單變量分析方法研究遺傳和影像中間表型的關(guān)聯(lián)，近年來發(fā)展出了多變量分析方法，文章中作者也對基于多元數(shù)據(jù)分析的影像遺傳學(xué)研究進(jìn)行了總結(jié)。本文作者最后討論了當(dāng)前研究的不足及未來發(fā)展方向。

1 基于單基因的影像遺傳學(xué)研究

早期的影像遺傳學(xué)分析，通常根據(jù)先驗知識選擇單核苷酸多態(tài)性和單個腦區(qū)結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行單變量關(guān)聯(lián)分析。這類候選基因研究報告了大量單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNP)與腦區(qū)的相關(guān)性，然而，研究結(jié)果并不一致，一項Meta分析[8]總結(jié)了腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)的Val66Met多態(tài)性、5- 羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)基因啟動序列(5- hydroxytryptamine- transporter- linked polymorphic region，5- HTTLPR)多態(tài)性分別與MDD患者海馬體積及5- HTTLPR多態(tài)性與杏仁核功能的關(guān)聯(lián)，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)相關(guān)。MDD是高異質(zhì)性的復(fù)雜疾病，這是研究結(jié)果不一致的可能原因之一，選擇同質(zhì)性更高的患者進(jìn)行研究可能會得到更為一致的結(jié)果。因此，近來的研究將更多因素納入考察范圍，如癥狀表型、環(huán)境因素等。例如，Yuan等[9]關(guān)注晚發(fā)性抑郁患者的認(rèn)知癥狀，發(fā)現(xiàn)攜帶載脂蛋白E ε4等位基因的緩解期患者的認(rèn)知功能較差，與右額內(nèi)側(cè)回灰質(zhì)體積明顯減小、后扣帶皮層和右內(nèi)側(cè)顳葉之間的功能連接降低[10]、左側(cè)海馬與背側(cè)前扣帶皮層(anterior cingulate cortex，ACC)功能連接破壞相關(guān)[11]。楊昱音等[12]發(fā)現(xiàn)攜帶FK506結(jié)合蛋白5(FK506 binding protein 5，F(xiàn)KBP5)基因rs160780 T等位基因的MDD患者右額下回島蓋部局部一致性降低，與焦慮癥狀呈正相關(guān)。早期負(fù)性生活事件史如兒童期虐待是最受關(guān)注的環(huán)境因素之一。例如，Grabe等[13]發(fā)現(xiàn)具有早期負(fù)性生活事件史的個體中，攜帶FKBP5 rs160780 T等位基因與海馬、杏仁核、ACC等情感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的灰質(zhì)體積減少相關(guān)。環(huán)境因素可能通過表觀遺傳學(xué)的甲基化機(jī)制影響基因的表達(dá)。Tozzi等[14]發(fā)現(xiàn)在攜帶FKBP5基因rs1360780 T等位基因的MDD患者中，兒童期虐待可能誘導(dǎo)FKBP5的低甲基化，與眶額葉的灰質(zhì)密度降低和激活增加相關(guān)。這些研究結(jié)果提示了壓力等環(huán)境因素是將FKBP5基因表達(dá)與MDD相關(guān)大腦改變聯(lián)系起來的一個重要環(huán)節(jié)。

由于單個SNP的遺傳效應(yīng)微弱，并且可能受到同一基因中其他SNP的影響，已有研究納入了分布在同一基因中的多個多態(tài)性所構(gòu)成的單倍型進(jìn)行遺傳關(guān)聯(lián)研究。例如，Swartz等[15]在負(fù)面情緒面孔匹配任務(wù)中發(fā)現(xiàn)，攜帶白細(xì)胞介素- 18(interleukin- 18,IL18)基因mRNA高表達(dá)單倍型的女性MDD患者左側(cè)杏仁核激活相對增加，并與抑郁和焦慮癥狀增加相關(guān)。單倍型由于關(guān)注具有功能的一組基因位點(diǎn)，可能更好地將基因、分子機(jī)制與腦功能聯(lián)系起來，反映了MDD的生物學(xué)機(jī)制。單基因與影像的關(guān)聯(lián)研究可以得到較為直觀的解釋，在影像遺傳學(xué)的初步研究中發(fā)揮了重要作用。然而，候選基因研究嚴(yán)重依賴于疾病的先驗知識，遺傳變異、腦區(qū)的選擇受到局限。MDD受到多種基因的影響，研究單基因的效應(yīng)顯然不足以解釋MDD復(fù)雜的遺傳結(jié)構(gòu)。

2 基于多基因的影像遺傳學(xué)研究

現(xiàn)有研究表明許多常見遺傳變異單獨(dú)的生物學(xué)效應(yīng)微小，但可能由于累積或協(xié)同效應(yīng)，介導(dǎo)特定疾病的發(fā)生風(fēng)險。因此，影像遺傳學(xué)研究多基因?qū)δX影像表型的綜合影響，此類多基因研究根據(jù)先驗知識選擇多個與MDD相關(guān)的候選基因。例如，5- 羥色胺(5- hydroxytryptamine，5- HT)相關(guān)基因研究中報告了疊加效應(yīng)和非疊加效應(yīng)。Kostic等[16]報告了在MDD患者中兒茶酚- O- 甲基轉(zhuǎn)移酶(catechol- O- methyltransferase) Val158Met、BDNF Val66Met及5- HTTLPR多態(tài)性在前額葉皮層和枕葉皮質(zhì)厚度中具有疊加效應(yīng)。Han等[17]發(fā)現(xiàn)5- HTTLPR和BDNF Val66Met對額極體積有非線性交互作用。Kautzky等[18]通過健康受試者PET研究發(fā)現(xiàn)BDNF Val66Met和5- 羥色胺受體1A(5- hydroxytryptamine receptor 1A，HTR1A)的rs6295非疊加性地影響5- HTR1A的結(jié)合潛力，攜帶3個或3個以上風(fēng)險等位基因的受試者才會顯示出5- HTR1A 表面結(jié)合潛力的增加。這些研究提示5- HT通路在MDD中的作用，并且這些基因間的相互作用表明存在一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，共同影響MDD的腦結(jié)構(gòu)功能改變。然而多基因方法研究的候選多態(tài)性數(shù)量有限，影像遺傳學(xué)研究進(jìn)一步發(fā)展出通路基因相關(guān)的研究。

3 基于通路基因的影像遺傳學(xué)研究

基于通路基因的影像遺傳學(xué)研究特定生物功能通路相關(guān)的基因，為遺傳變異、生物過程與腦影像表型的聯(lián)系提供更有力的解釋。早期的方法根據(jù)先驗知識選擇與某一通路相關(guān)的一組基因，逐個比較相關(guān)SNP，研究其與腦影像的關(guān)聯(lián)，例如，尹營營[19]報告多巴胺通路4個基因的7個SNPs與伴有精神運(yùn)動遲滯MDD患者的運(yùn)動、情感及認(rèn)知相關(guān)腦區(qū)的腦血流量相關(guān)。但是，這種方法雖然可以從通路中識別有效應(yīng)的基因，卻不能識別通路基因間的相互作用。生物信息多位點(diǎn)遺傳譜評分(biologically- informed multi- locus profile score，BIMPS)是一種基于通路基因的多基因評分方法，可以量化根據(jù)功能相關(guān)選擇的多個遺傳變異的疊加效應(yīng)[20]。Gong等[21]發(fā)現(xiàn)多巴胺通路活性MPS影響MDD患者的獎勵網(wǎng)絡(luò)，與伏隔核和下丘腦之間的功能連接呈正相關(guān)，并與焦慮抑郁癥狀相關(guān)。Piel等[22]研究5- HT通路MPS，在健康受試者中發(fā)現(xiàn)MPS與右側(cè)杏仁核功能激活呈正相關(guān)，與雙側(cè)前扣帶皮層和右背外側(cè)前額葉對刺激的習(xí)慣化呈負(fù)相關(guān)。BIMPS從通路的層面上捕獲多基因結(jié)構(gòu)，涉及通路中的多個環(huán)節(jié)，反映信號通路的整體功能，可以與大腦區(qū)域大量神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的整體活動更好地聯(lián)系起來。但是，BIMPS將SNPs間的相互作用假定為疊加效應(yīng)，忽視了下游調(diào)節(jié)和異位顯性；而且，通路相關(guān)的遺傳變異可以選擇的組合過多，可能納入一些無關(guān)的變異，導(dǎo)致假陽性結(jié)果的出現(xiàn)。

4 基于GWAS的影像遺傳學(xué)研究

全基因組的影像遺傳學(xué)研究基于GWAS的研究方法，不依賴先驗知識，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，從全基因組范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)影響疾病相關(guān)腦影像表型的遺傳變異。GWAS是識別疾病相關(guān)遺傳變異的重要研究方法，利用全基因組測序技術(shù)逐一比較單個SNP與疾病風(fēng)險的關(guān)聯(lián)，最終篩選出差異有統(tǒng)計學(xué)意義的SNPs。GWAS無須先驗假設(shè)，為MDD的遺傳機(jī)制提供了新的發(fā)現(xiàn)，是對候選基因研究的有力補(bǔ)充；相應(yīng)的，候選基因研究方法成為驗證從GWAS獲得的新候選基因的工具。例如，Cui等[23]報告了LHPP基因(phospholysine phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatase)rs35936514 T等位基因與MDD患者的雙側(cè)舌回、雙側(cè)背外側(cè)前額葉皮層和左內(nèi)側(cè)前額葉的異常自發(fā)活動相關(guān)。GWAS研究也可以將腦影像改變作為與遺傳變異關(guān)聯(lián)的表型。Mathias等[24]選擇復(fù)發(fā)MDD和右側(cè)海馬體積作為GWAS關(guān)聯(lián)的表型，發(fā)現(xiàn)SMCHD1基因(structural maintenance of chromosomes flexible hinge domain containing 1)內(nèi)含子內(nèi)的rs574972同時影響抑郁發(fā)生風(fēng)險和右側(cè)海馬體積。然而，由于不能通過嚴(yán)格的多重比較校正，很多有意義的微效位點(diǎn)在GWAS研究中被忽略。此外，GWAS只能發(fā)現(xiàn)遺傳變異與性狀之間的關(guān)聯(lián)程度，并不能對其機(jī)制給出很好的解釋。為解決上述問題，發(fā)展出更為可靠的分析方法，如多基因風(fēng)險評分(polygenic risk scores，PRS)、基因富集分析(gene set enrichment analysis，GSEA)。

PRS方法研究基于先前的GWAS發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險等位基因，為全基因組內(nèi)或特定基因組內(nèi)的特定條件提供“風(fēng)險”評分，研究遺傳變異的疊加效應(yīng)，從而識別與精神病理學(xué)的遺傳風(fēng)險相關(guān)的機(jī)制[25]。使用這一方法的研究較多，如Yüksel等[26]發(fā)現(xiàn)健康受試者的MDD- PRS在工作記憶任務(wù)中與雙側(cè)枕中回、雙側(cè)額中回和右側(cè)中央前回等多個腦區(qū)的激活相關(guān)。Smeeth等[27]發(fā)現(xiàn)了雌二醇PRS與海馬體積相關(guān)，較高雌二醇水平的遺傳風(fēng)險與較小的海馬體積相關(guān)，但未發(fā)現(xiàn)與MDD或產(chǎn)后抑郁的風(fēng)險相關(guān)。Guffanti等[28]報告了MDD表型相關(guān)的PRS分值較高在健康女性中與紋狀體較小、應(yīng)激相關(guān)的獎賞預(yù)期誤差更低相關(guān)。PRS表明了MDD遺傳易感性對于腦結(jié)構(gòu)和功能的綜合影響，但不能提供關(guān)于這些SNPs對觀察到的結(jié)構(gòu)功能改變的貢獻(xiàn)大小。還有一些研究報告了陰性的發(fā)現(xiàn)。Wang等[29]研究包括MDD在內(nèi)的5種精神疾病PRS對健康人群雙側(cè)島葉功能連接的影響，未發(fā)現(xiàn)MDD- PRS與島葉功能連接的關(guān)聯(lián)。Wigmore等[30]依據(jù)ENIGMA(Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta- Analysis)工作組匯總數(shù)據(jù)中與每個大腦區(qū)域體積相關(guān)的基因來生成大腦區(qū)域體積的PRSs，未發(fā)現(xiàn)任一腦區(qū)體積相關(guān)PRS與MDD之間的關(guān)聯(lián)。一個可能的原因是由于PRS僅考慮了遺傳變異的疊加效應(yīng)，而不能研究可能存在的通路內(nèi)及通路間基因相互作用。

GSEA可以測試與給定復(fù)雜性狀具有適度關(guān)聯(lián)的多個基因是否富含特定的生物過程，即檢測先前的GWAS等研究發(fā)現(xiàn)的SNPs是否位于特定生物過程相關(guān)的一組基因集中[31]。Petrovska等[32]通過GSEA方法發(fā)現(xiàn)健康受試者中同時與較高的亞臨床抑郁癥狀評分、胼胝體額鉗和左上縱束顳部的白質(zhì)完整性降低相關(guān)的基因集，神經(jīng)細(xì)胞黏附分子1(neural cell adhesion molecule- 1)，相互作用的基因集，這些基因涉及神經(jīng)發(fā)育和突觸可塑性。GSEA方法將GWAS發(fā)現(xiàn)的MDD遺傳風(fēng)險與生物過程聯(lián)系起來，有助于理解抑郁癥狀的分子遺傳基礎(chǔ)。

5 基于多元數(shù)據(jù)分析的影像遺傳學(xué)研究

影像遺傳學(xué)研究擴(kuò)展到全基因組全腦關(guān)聯(lián)范圍后，由于涉及的遺傳、影像數(shù)據(jù)量巨大，為了分析主要問題，并提取出核心的腦影像與遺傳信息之間關(guān)聯(lián)，多種多變量分析方法常用于降低數(shù)據(jù)的維度。其中，獨(dú)立成分分析(independent component analysis，ICA)在精神障礙的研究中應(yīng)用較為廣泛。平行獨(dú)立成分分析方法(parallel ICA，pICA)是ICA方法中的一種，pICA從遺傳和影像數(shù)據(jù)中分別提取獨(dú)立成分，之后計算遺傳和影像獨(dú)立成分之間的關(guān)聯(lián)[33]。姜文顥[34]運(yùn)用pICA的方法研究快感缺失相關(guān)的灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)及遺傳信息，發(fā)現(xiàn)CACNA1C 和LAMA2基因多個SNPs共同影響下的額葉- 眶額葉- 小腦- 紋狀體灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，可能是MDD快感缺失的潛在遺傳影像中介表型。Zhang等[35]發(fā)現(xiàn)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的灰質(zhì)體積減少與G蛋白偶聯(lián)受體、阿爾茲海默癥患者中表達(dá)上調(diào)的一組基因相關(guān)，且在MDD患者中比健康對照中有更高的相關(guān)性。機(jī)器學(xué)習(xí)的方法也被用于進(jìn)行多元數(shù)據(jù)分析，可以處理高維數(shù)據(jù)集，捕獲單個預(yù)測變量的主要影響及復(fù)雜的相互作用，如基因的上位效應(yīng)[36]。Inkster等[36]研究一組與糖原合成酶激酶- 3β(glycogen synthesis kinase 3β)直接相互作用的蛋白質(zhì)的編碼基因，使用機(jī)器學(xué)習(xí)隨機(jī)森林算法探索影響MDD患者海馬體積的基因型網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)了組蛋白脫乙酰基酶4(histone deacetylase 4，HDAC4)rs12469994和Ⅰ型1,4,5- 三磷酸肌醇受體(inositol 1,4,5- trisphosphate receptor Type 1，ITPR1)rs2291862之間的相互作用，在MDD患者中與海馬體積減少相關(guān)，HDAC4、ITPR1均與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)?？梢?，數(shù)據(jù)驅(qū)動的多變量研究有助于在大量數(shù)據(jù)中識別與MDD中間表型相關(guān)的基因相互作用網(wǎng)絡(luò)。

6 總結(jié)與展望

大量的影像遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了與MDD相關(guān)的腦區(qū)和風(fēng)險基因，在一定程度上闡述了MDD的發(fā)生機(jī)制。隨著影像遺傳學(xué)的發(fā)展，多變量分析方法已在精神疾病研究中得到初步應(yīng)用，但目前研究仍然較少。例如，已有酒精濫用相關(guān)研究將pICA由遺傳、影像2個模態(tài)推廣到遺傳、結(jié)構(gòu)和功能影像3個模態(tài)[37]，但這種三維平行獨(dú)立成分分析方法(3- way pICA，3pICA)在MDD領(lǐng)域中還未有報道。3pICA也可用于研究遺傳、影像、臨床表型，有潛力實現(xiàn)整合癥狀、腦影像和遺傳信息的效果，為“基因- 腦- 疾病”這一通路提供更為直接的證據(jù)?，F(xiàn)有的影像遺傳學(xué)中，研究基因間相互作用以疊加效應(yīng)為主，對上位效應(yīng)和發(fā)育調(diào)控等研究較少；此外，基于通路的研究關(guān)注單個通路內(nèi)的基因交互作用，很少關(guān)注多個通路間的相互作用，多變量分析方法的應(yīng)用也有助于復(fù)雜的基因間、通路間相互作用的闡明。

目前MDD影像遺傳學(xué)研究關(guān)注的影像中間表型包括灰質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能、白質(zhì)結(jié)構(gòu)，尚無研究關(guān)注白質(zhì)功能。已有研究發(fā)現(xiàn)白質(zhì)同樣組成功能網(wǎng)絡(luò)[38]，未來的研究可關(guān)注白質(zhì)功能異常作為MDD影像中間表型的可行性。

MDD受環(huán)境因素影響，其影像遺傳學(xué)研究已經(jīng)涉及了表觀遺傳學(xué)。然而，這些研究僅限于少數(shù)DNA甲基化位點(diǎn)。表觀基因組關(guān)聯(lián)研究(epigenome- wide association studies，EWAS)可以研究全基因組甲基化位點(diǎn)與疾病的關(guān)聯(lián)。已有EWAS研究發(fā)現(xiàn)了與抑郁癥狀相關(guān)的3個甲基化位點(diǎn)[39]。將來可以結(jié)合EWAS和影像數(shù)據(jù)，深入探索基因- 環(huán)境相互作用對大腦結(jié)構(gòu)和功能的影響。

當(dāng)前MDD影像遺傳學(xué)研究的視角是靜態(tài)的，很少有研究關(guān)注不同時期遺傳效應(yīng)的動態(tài)變化。未來影像遺傳學(xué)研究可能需要建立新的縱向研究模型，同時整合遺傳、神經(jīng)影像和環(huán)境數(shù)據(jù)，探索MDD發(fā)展過程中基因- 環(huán)境- 腦- 行為之間的動態(tài)相互作用。

聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。侯卓良負(fù)責(zé)文獻(xiàn)收集與分析、撰寫論文與修改；岳瑩瑩負(fù)責(zé)論文修改；袁勇貴負(fù)責(zé)選題、文章修改。