CACNA1C基因在精神障礙中的遺傳影像學研究進展☆

蘇文君 王繼軍

精神分裂癥（schizophrenia，SZ）、雙相情感障礙（bipolar disorder，BD）等精神障礙具有高度遺傳性特征[1-3]。電壓門控 Ca2+通道 α-1C亞通道 （calcium voltage-gated channel subunit alpha1 C，CACNA1C）基因作為精神障礙的風險基因，其全基因組顯著性已經(jīng)在全基因組關(guān)聯(lián)研究（genomewide association study，GWAS）中得到反復證實[1-3]。 遺傳影像學技術(shù)結(jié)合多模態(tài)影像學和遺傳學的方法，通過觀察并量化遺傳背景下的腦影像特征，將分子細胞水平發(fā)現(xiàn)與系統(tǒng)水平發(fā)現(xiàn)聯(lián)系起來，比行為學測量結(jié)果表現(xiàn)出更高程度的外顯性[4]。該方法可以用于探討精神障礙的病理生理學機制，進一步解釋遺傳變異影響精神障礙易感性的機制，為開發(fā)其個體化治療的新靶點提供研究基礎[5]。近年來有許多從遺傳影像學角度探討精神障礙中CACNA1C基因?qū)δX結(jié)構(gòu)及功能影響的研究，本文對其做以綜述。

1 CACNA1C基因簡介

CACNA1C基因位于12號染色體短臂（12p13.3），也稱為Cav1.2，編碼 α-1C亞基，該蛋白是電壓門控L-型 Ca2+通道（L-type calcium channel，LTCC）的組成部分，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛表達[6]，并在學習和空間記憶、情景記憶、恐懼記憶、樹突發(fā)育以及神經(jīng)元連接的形成、退化和修飾等過程中發(fā)揮重要作用[6-10]。LTCC通過調(diào)節(jié)可興奮性細胞的膜電位而調(diào)控Ca2+內(nèi)流[6]，Ca2+通過LTCC在突觸后神經(jīng)元內(nèi)流，激活環(huán)磷腺苷效應元件結(jié)合蛋白 （cyclic adenosine monophosphate response element binding，CREB） 磷酸化，CREB與腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 （brain derived neurotrophic factor，BDNF）內(nèi)的 Ca2+反應元件結(jié)合并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，從而在學習和記憶過程中發(fā)揮重要作用[7-8]。LTCC還調(diào)控非N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）依賴的長時稱增強（long-term potentiation，LTP）而影響突觸可塑性[8]。動物研究顯示，CACNA1C基因沉默的小鼠表現(xiàn)出海馬CA1區(qū)域非NMDAR依賴的LTP缺失[9]；暴露于新環(huán)境的小鼠CA1區(qū)域CACNA1C表達下調(diào)，而恐懼情景下齒狀回的CACNA1C表達上調(diào)[7]，提示CACNA1C在空間記憶、情景記憶和恐懼記憶形成中發(fā)揮作用[7-9]。此外，LTCC還在樹突發(fā)育以及神經(jīng)元連接的形成、退化和修飾中發(fā)揮重要作用[10]。CACNA1C基因變異中最顯著、可復制性最強的精神障礙風險相關(guān)單核苷酸多態(tài)性 （single nucleotide polymorphism，SNP） 為rs1006737[8，11]，該突變影響CACNA1C的mRNA表達和Cav1.2電流密度[12-13]。多項研究顯示，rs1006737單倍體型影響腦灰質(zhì)體積、皮層厚度和白質(zhì)完整性，以及執(zhí)行工作記憶和注意等任務時的區(qū)域激活和功能連接等[14]。

2 CACNA1C基因?qū)δX結(jié)構(gòu)的影響

2.1 CACNA1C基因?qū)Π踪|(zhì)的影響彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）為探究白質(zhì)完整性的重要手段之一。越來越多影像學研究表明，白質(zhì)完整性缺損是SZ的核心特征之一[15]。有研究表明，SZ發(fā)病與白質(zhì)部分各向異性（fractional anisotropy，F(xiàn)A）降低顯著相關(guān)，且 83.4%的相關(guān)性是由于遺傳因素所致[16]。ROMME等[17]對43個GWAS報告達到全基因組顯著性（P＜5×10-8）的SZ風險基因進行研究發(fā)現(xiàn)，SZ風險基因高表達腦區(qū)與白質(zhì)失連接腦區(qū)有顯著重疊，其中相關(guān)性最顯著的基因群是神經(jīng)元Ca2+信號通路相關(guān)的基因群，提示Ca2+通道在SZ患者白質(zhì)缺損的病理生理學機制中發(fā)揮重要作用。MALLAS等[18]對63例SZ患者、43例BD患者和 124名健康對照（healthy control，HC）進行DTI研究，結(jié)果顯示CACNA1C對白質(zhì)FA值的主效應或基因型與臨床亞型的交互作用均沒有統(tǒng)計學意義。在SZ患者中，風險等位基因（AA+AG）攜帶者與常見等位基因純合子（GG）攜帶者相比，左側(cè)枕中回、左側(cè)海馬旁回、右側(cè)小腦、左視放射、左側(cè)顳回的FA值更低，而在BP和HC中二者沒有差異[18]。而WOON等[19]對96例SZ患者和64名HC研究發(fā)現(xiàn)，在左側(cè)額葉、左側(cè)頂葉和左側(cè)顳葉存在基因型和臨床亞型的交互作用。DIETSCHE等[20]對健康被試的研究也發(fā)現(xiàn)風險等位基因（AA+AG）攜帶者與常見等位基因純合子（GG）攜帶者相比FA值更低，但存在差異的主要區(qū)域為右側(cè)海馬。這些不一致的結(jié)果可能是分析方法及樣本量差異所致。

2.2 CACNA1C基因?qū)屹|(zhì)的影響WOLF等[21]對SZ、BD、強迫癥患者及HC共72例被試進行研究，結(jié)果顯示SZ組中，常見等位基因純合子（GG）攜帶者左右半球杏仁核灰質(zhì)的體積顯著小于風險等位基因（AA+AG）攜帶者[21]。這可能是由于Cav1.2調(diào)控樹突生長相關(guān)基因（如BDNF）依賴神經(jīng)元活動的轉(zhuǎn)錄過程，從而影響了杏仁核環(huán)路的突觸可塑性[22]。SOEIRO-DE-SOUZA 等[23]對 117例 BD I型患者研究顯示，風險等位基因（AA+AG）攜帶者眶額部皮質(zhì)中線部（medial orbitofrontal cortex，mOFC）的皮層厚度更高。 作為內(nèi)側(cè)前額葉的重要成分，mOFC與邊緣區(qū)域和前額葉（prefrontal cortex，PFC）旁區(qū)存在廣泛連接，并在 BD的情緒調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[23]。FRAZIER等[24]的研究也顯示，CACNA1C對灰質(zhì)的影響主要集中在額葉—邊緣系統(tǒng)，且與認知功能顯著相關(guān)。提示CACNA1C與BD的核心癥狀存在密切關(guān)聯(lián)。WANG等[25]對55名健康被試的研究結(jié)果也顯示風險等位基因（AA+AG）攜帶者的灰質(zhì)體積較大，但主要區(qū)域在皮質(zhì)邊緣額顳神經(jīng)系統(tǒng)。這可能是Cav1.2對細胞凋亡相關(guān)基因B細胞淋巴瘤2基因（B-cell lymphoma 2，BCL2）的調(diào)節(jié)作用所致，該蛋白在皮質(zhì)邊緣額顳系統(tǒng)中發(fā)揮著神經(jīng)營養(yǎng)和神經(jīng)保護的重要作用[25]。而FRANKE等[26]對585名健康被試進行研究發(fā)現(xiàn)，CACNA1C基因的rs1006737對灰質(zhì)體積無影響，而其下游的一個SNP簇（rs2051992、rs2239050、rs7959938） 與腦干體積增加顯著相關(guān)。腦干是多巴胺、五羥色胺等許多在精神障礙中有重要影響神經(jīng)遞質(zhì)的主要合成場所，其功能與SZ患者的睡眠障礙和行為紊亂 （如注意和警覺下降）密切相關(guān)。提示CACNA1C對SZ病理生理學機制的影響存在多效型。

3 CACNA1C基因?qū)δX功能的影響

3.1 CACNA1C基因?qū)η榫坝洃浀挠绊?考慮到Cav1.2對突觸可塑性及學習和記憶過程的影響[7-8]，關(guān)于CACNA1C的功能態(tài)磁共振 （functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究主要關(guān)注額葉—邊緣系統(tǒng)。fMRI研究情景性記憶的任務通常包括編碼、回憶和識別三個環(huán)節(jié)。ERK等[27]用fMRI探究rs1006737對健康被試海馬功能的影響，結(jié)果顯示與常見等位基因純合子（GG）攜帶者相比，風險等位基因（AA+AG）攜帶者在執(zhí)行回憶任務時雙側(cè)海馬和前扣帶旁回（perigenual anterior cingulate，pgACC）激活減弱，且左右海馬之間的功能連接減弱[27]。pgACC區(qū)域在心境障礙發(fā)展中具有至關(guān)重要的作用。在記憶儲存過程中，pgACC會提取適合任務的信息，抑制不適當信息，從而集成和控制來自邊緣區(qū)域的信息[28]。為進一步從海馬和pgACC功能紊亂的角度探究rs1006737對精神障礙遺傳風險的影響，ERK等[29]又進一步對188名精神障礙患者的健康一級親屬（59名 BD親屬、73名抑郁癥親屬、56名 SZ親屬）和110名HC進行研究。結(jié)果顯示相對于HC，所有的一級親屬都表現(xiàn)出海馬和pgACC激活減弱，而風險等位基因（AA+AG）攜帶者的這些區(qū)域激活減弱更顯著[29]。一級親屬同時也表現(xiàn)出抑郁和焦慮評分顯著增加，其中BD的一級親屬左側(cè)海馬激活與焦慮和抑郁評分呈負相關(guān)[29]。盡管此結(jié)果中不同等位基因?qū)ｑR功能相關(guān)的行為學表現(xiàn)并無影響，但足以說明該SNP對海馬激活的影響。且證明疾病風險增加是因為海馬功能損害增加，而非情節(jié)記憶本身受損。這同時也印證了遺傳變異對腦結(jié)構(gòu)和功能的影響比行為學水平影響更外顯的觀點[4]。而KRUG等[30]對健康被試的研究結(jié)果顯示，常見等位基因純合子（GG）在編碼和檢索中右側(cè)海馬的激活較A等位基因攜帶者更顯著。三項研究結(jié)果不完全相同也提示，遺傳影像學研究具有異質(zhì)性，有可能是由于不同范式和不同人群等因素的影響。

3.2 CACNA1C基因?qū)ぷ饔洃浀挠绊態(tài)IGOS等[31]用nback范式研究rs1006737與執(zhí)行工作記憶任務時腦區(qū)激活的關(guān)系。其結(jié)果顯示，316名HC中，風險等位基因純合子（AA）攜帶者在執(zhí)行工作記憶任務時右側(cè)背外側(cè)前額葉（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）激活增加。 同時該研究在尸腦中發(fā)現(xiàn)，CACNA1C風險等位基因純合子（AA）的mRNA表達水平最高，雜合子（GA）居中，而常見等位基因純合子（GG）最低[31]。提示CACNA1C對腦功能影響可能是通過對轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控來實現(xiàn)。而PAULUS等[32]的研究結(jié)果與之相反：與G等位基因攜帶者相比，風險等位基因純合子（AA）在執(zhí)行n-back范式時右側(cè) DLPFC激活更少。rs1006737位點A等位基因與額葉—海馬功能連接強度呈正相關(guān)[32]。該兩研究結(jié)果相反可能是由于所用范式存在差異（BIGOS等[31]研究要求被試對所有刺激均做出反應，而PAULUS等[32]研究僅要求被試對目標刺激做出反應）。還有觀點認為，風險等位基因攜帶者DLPFC激活水平反而高于常見等位基因攜帶者是個體自身代償?shù)慕Y(jié)果[33]?？傊?，兩個基因亞組之間的差異都集中在右側(cè)DLPFC，這是調(diào)控執(zhí)行功能、工作記憶和認知可塑性的重要區(qū)域，也是SZ患者腦結(jié)構(gòu)異常的特征區(qū)域，及經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）等物理干預手段的常用靶點[34]，進一步印證CACNA1C在SZ病理生理學機制中具有重要作用。

3.3 CACNA1C基因?qū)π尤屎斯δ艿挠绊懬楦邪Y狀是心境障礙的主要臨床表現(xiàn)之一。有學者關(guān)注CACNA1C的rs1006737對情感加工過程中杏仁核活動水平影響。WESSA等[35]發(fā)現(xiàn)CACNA1C對健康人群的獎賞傳遞過程有影響，在執(zhí)行概率獎賞倒敘學習任務中，風險等位基因（AA+AG）攜帶者的右側(cè)杏仁核血氧水平依賴 （blood oxygen level-dependent，BOLD）信號激活水平高于常見等位基因純合子（GG）攜帶者。TESLI等[36]用面孔匹配和感覺運動控制兩個任務范式對66例BD患者、61例 SZ患者和123名 HC進行研究，結(jié)果顯示在BD組中，風險等位基因（AA+AG）攜帶者在執(zhí)行負性面孔范式時左側(cè)杏仁核激活增加。JENNIFER等[37]對健康青少年研究結(jié)果顯示，風險等位基因純合子（AA）攜帶者在觀看負性刺激時杏仁核的BOLD信號水平更高。該結(jié)果提示CACNA1C對杏仁核功能的影響在發(fā)育期就已經(jīng)出現(xiàn)。DIMA等[38]研究顯示rs1006737會影響視覺皮層與腹側(cè)前額皮層的連接，說明其對腦功能的影響不僅限于額葉—邊緣區(qū)域，還擴展到了腹側(cè)視覺通路。

4 總結(jié)與展望

精神障礙的遺傳結(jié)構(gòu)非常復雜，由多種常見和罕見的遺傳變異組成，單一變異的可歸因風險很低。但目前多種研究表明CACNA1C變異，尤其是SNPrs1006737對精神障礙中間表型的影響顯著。綜上所述，CACNA1C基因作為精神障礙的重要風險基因之一，對腦結(jié)構(gòu)與功能的影響主要集中在額葉—邊緣系統(tǒng)，尤其是海馬和杏仁核等區(qū)域。由于所選取的任務范式、分析方法和統(tǒng)計模型各異，選取的感興趣區(qū)等不同，人種不同，樣本量不足等原因，影像學研究的異質(zhì)性較高。未來研究可以進一步改進任務范式，采用更嚴謹科學的分析方法，將結(jié)構(gòu)與功能MRI兩者結(jié)合起來，進一步探究CACNA1C變異影響精神障礙易感性的機制，為精神障礙個體化治療提供新的靶點。