雙生子研究方法在精神障礙研究中的應用與進展

王雪雯，傅一笑，唐金香，彭亞東，劉 瑩

(重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院心理衛(wèi)生中心，重慶 400016

精神障礙發(fā)病率高、難治愈，已成為當代社會重大的公共衛(wèi)生問題。研究顯示[1-2]，精神障礙的發(fā)病與遺傳、環(huán)境等因素相關，但其關鍵的作用機制至今尚未闡明。雙生子研究方法因其特殊的遺傳設計被廣泛用于研究遺傳和環(huán)境對人類行為的影響，對生物醫(yī)學、精神病學和行為學的研究有所啟示[3-4]。雙生子作為特殊人群，具有天然對照的優(yōu)勢，可以進行匹配的隊列研究，從而控制年齡、性別、遺傳、環(huán)境等混雜因素，是復雜疾病的病因研究的良好資源。近五十年來，研究者利用雙生子資源對超過17 000種性狀進行了遺傳度的計算[5]。此外，雙生子結合表觀遺傳學研究、新興多組學關聯(lián)研究，對了解包括精神障礙在內的復雜疾病的生物學通路有特殊的價值[4]。目前許多國家已建立雙生子數據庫，便于對精神疾病或其他受遺傳和環(huán)境因素影響的疾病進行定量定性效應分析。本文通過對國內外雙生子研究方法及其在精神障礙中的進展進行綜述，旨在進一步揭示精神障礙的發(fā)病機制，為精神障礙的臨床研究和診療提供參考。

1 雙生子的概念

雙生子一般分為同卵雙生子(monozygotic twin，MZ)和異卵雙生子(dizygotic twin，DZ)。MZ擁有相同的遺傳特性及表型特征；DZ來自兩個不同胚胎，他們的遺傳及表型特征僅有某些相似之處。雙生子的科學研究最早是由Galton[6]提出，隨后Poll[7]和Siemens[8]分別于1915年和1924年發(fā)表了關于MZ和DZ之間不同相似程度的研究。為進一步開展雙生子研究，美國、英國等開始建立雙生子登記制度，收集雙生子從出生到死亡的縱向數據，為精神病學、行為學和基礎生物學的研究提供了寶貴的數據資源，也促進了雙生子研究的發(fā)展[4]。

2 雙生子研究的優(yōu)勢及用途

雙生子研究可用于調查一個群體復雜性狀變異的原因，也可以在控制遺傳效應的同時區(qū)分環(huán)境的影響以及其他混雜因素[9-11]。雙生子研究設計是最常用的量化先天遺傳影響和后天環(huán)境效應的方法之一，對全基因組關聯(lián)和連鎖研究的數量及性狀分析也較有優(yōu)勢[12]。MZ擁有100%相同的遺傳背景，而DZ只有50%類似的遺傳物質，因此，MZ之間的所有表型差異被認為是由雙生子之間非共享環(huán)境的差異所致，DZ之間的差異則被認為是由遺傳和非共享環(huán)境的差異共同導致[11]。所以，同卵雙生子研究可以鑒定容易誘發(fā)的精神分裂癥等復雜疾病的突變機制和特異性基因及途徑[13]。在全基因組時代，通過研究MZ的DNA中表型性狀的變異，探索某些基因型是否對該性狀帶來風險、是否對變異有貢獻[4]。同卵雙生子研究的優(yōu)勢在于盡管基因結構很難改變，但可以通過改變基因表達來防控疾病的發(fā)展[14]。DZ由于擁有50%的相同DNA，結合共享環(huán)境的差異，為研究基因與環(huán)境的相互作用提供了新途徑[15]。

MZ在生命的早期共享母體環(huán)境和生活環(huán)境，所以MZ之間在基因型、年齡、性別及共有環(huán)境因素方面是互相匹配的[16]，故同卵不同病的雙生子研究對于探索與環(huán)境有關的致病因素有獨特價值。對雙生子進行隨訪研究也有助于明確精神疾病致病因素隨時間變化的特點。此外，雙生子研究還可用于精神分裂癥、雙相情感障礙等神經生物學及遺傳基因層面的研究，也可用于抑郁癥、自閉癥等在不同年齡段發(fā)展特點以及雙生子內部發(fā)展差異的研究等。

3 雙生子研究在精神障礙中的應用

3.1 經典雙生子研究方法

經典雙生子設計是研究基因與環(huán)境對復雜性狀和疾病作用的方法之一[17-19]。在經典雙生子模型的假設下，如果MZ測度結果的一致性大于DZ，那么遺傳因素可能是重要原因；如果MZ和DZ的一致性相似，那么雙生子之間共有的環(huán)境因素更重要[15]。Rommel等[20]利用結構方程模型對多動癥癥狀與智商的關系進行縱向雙生子研究，結果顯示多動癥癥狀與智商都具有顯著的遺傳相關性，其中多動癥的遺傳度較高，智商具有中等遺傳度，多動癥癥狀可能影響青少年的智商。此外，該研究得出遺傳風險具有穩(wěn)定性和動態(tài)性，也驗證了多動癥的“發(fā)展動態(tài)”假說，即預測新的遺傳效應會隨著個體發(fā)育而出現，且早期遺傳風險因素的影響會隨時間的推移而下降。Taylor等[21]采用雙生子設計對自閉癥與感覺反應之間的相關性進行研究，結果表明自閉癥與感覺反應都具有高度遺傳性，自閉癥特征與感覺反應之間存在中度表型相關性，且他們之間共同的遺傳因素可以解釋二者的相關。Gjerde等[22]在關于回避型人格障礙與強迫癥人格障礙特征的遺傳與環(huán)境穩(wěn)定性研究中，也得出相似的結論。此外，經典雙生子方法也可用于研究遺傳和環(huán)境在代際之間的影響，McAdams等[23]通過縱向研究探討父母的抑郁癥狀是否存在影響兒童情緒及行為問題的遺傳因素，結果表明二者存在表型相關遺傳。

基因與環(huán)境的交互作用是指某些基因型相對另外的基因型對環(huán)境改變的敏感度更高。在許多情況下，遺傳和環(huán)境影響對個體的影響不是獨立作用的，但在不同的疾病中，遺傳因素對發(fā)病的影響程度不同[4]，因此，在經典雙生子研究的基礎上出現了多變量多因素設計分析，從定性和定量的角度探索心理疾病是否存在相同的遺傳或環(huán)境基礎，同時也可觀察變量之間的因果關系[14]。Watson等[24]將經典雙生子設計擴展為雙變量雙模型，研究睡眠時間與遺傳因素對抑郁癥狀的影響及其相互作用。結果顯示遺傳因素對抑郁癥狀的影響受習慣性睡眠時間的調節(jié)，同時，隨著睡眠時間從極端值(<5h或>10h)向正常范圍(8h)變化，非共享環(huán)境與抑郁癥狀的相關性增強，從而得出睡眠時間和抑郁癥狀之間存在基因與環(huán)境相互作用的結果。

3.2 同卵不同病的雙生子研究方法

3.2.1表觀遺傳與同卵不同病雙生子研究

表觀遺傳學可以揭示疾病潛在的生物學機制，同卵雙生子研究可以通過控制許多混雜因素來研究表觀遺傳因素對疾病的影響。Castillo-Fernandez等[25]研究顯示，許多精神障礙在MZ中的發(fā)病率不一致，如精神分裂癥、自閉癥等。Castellani等[26-27]也報道了MZ之間的甲基化模式不同，表觀遺傳差異可能是MZ之間發(fā)病不一致的原因之一。雖然MZ起源于一個卵子，但有證據表明，它們的體細胞在DNA序列水平上并不總是相同[4]，Castellani等[13]研究也曾得出相似的結論。全基因組序列允許鑒定包括精神分裂癥在內的復雜疾病的突變機制和特異性基因[13]。Córdova-Palomera等[28]將全基因組甲基化測序技術應用于MZ發(fā)病不一致的研究，旨在鑒定抑郁癥中存在差異的甲基化區(qū)域。Fisher等[16]對患自閉癥不一致的MZ進行全基因組DNA甲基化分析，結果顯示受疾病影響和未受影響的雙生子存在許多與精神疾病有關的DNA甲基化差異。Melka等[29]對患有精神分裂癥的MZ進行全基因組DNA甲基化陣列測序，結果顯示DNA甲基化改變了所鑒定的基因啟動子，并推測受甲基化影響的獨特途徑可能是致病原因。Kazuno等[30]對患雙相情感障礙不一致的MZ進行蛋白質組學分析，結果顯示大約200個蛋白質點在患病和未患病的雙生子之間的表達存在差異，PGAM1被認為是雙相情感障礙生物標記物的候選物之一。

3.2.2基因突變與同卵不同病雙生子研究

精神障礙存在很多遺傳危險因素，對精神障礙發(fā)病不一致的MZ進行研究，有助于探明相關致病基因的突變[31-32]。Castellani等[13]假設：MZ精神分裂癥發(fā)病不一致可能是MZ基因中包括拷貝數變異(copy number variants，CNVs)等體細胞的罕見突變所致。Tang等[32]對8對精神分裂癥發(fā)病不一致的MZ進行家系分析，評估他們之間共享和非共享的新生突變，結果顯示包括遺傳變異在內的多種遺傳因素，都可能增加其家族患精神分裂癥的風險。Nishioka等[33]對同卵不同病的雙生子進行全外周測序的研究顯示，體細胞變異可能對精神疾病的發(fā)展有重要影響。李海欣等[34]通過對孤獨癥譜系障礙發(fā)病不一致的MZ進行研究，得出了NPR1基因變異的甲基化狀態(tài)可能與孤獨癥譜系障礙存在關聯(lián)的結果。

3.2.3環(huán)境和隨機因素與同卵不同病雙生子研究

Petronis[35]提出假設：母體環(huán)境也會導致MZ的發(fā)病不一致。多胎妊娠的高風險性、并發(fā)癥傾向以及對母體資源的爭奪，增加了妊娠環(huán)境失衡的可能性，妊娠期間細胞交換的不平等也會導致母體微嵌合體的不一致。顯然，環(huán)境因素和隨機因素已經出現在子宮環(huán)境內并持續(xù)存在于整個生命周期。此外，出生后任何非共享環(huán)境的暴露都會導致MZ之間的表觀差異。精神分裂癥和雙相情感障礙作為常見的精神疾病，其發(fā)病的遺傳力估計可達70%，但MZ之間的發(fā)病一致性遠遠低于100%，表明非遺傳因素對精神分裂癥和雙相情感障礙的發(fā)病有重要影響[36]。也有研究顯示，隨機事件也是雙生子間同卵不同病的潛在因素，但由于對其機制原因尚未完全了解，很難將它們與環(huán)境效應和基因-環(huán)境相互作用分開[37]。

4 總結與展望

雙生子研究在探討遺傳和環(huán)境等因素對疾病的影響具有優(yōu)勢。最初的經典雙生子研究即利用同卵和異卵雙生子研究探討遺傳與環(huán)境的影響[15]。隨著研究的深入，也可利用同卵雙生子設計追蹤導致某些精神障礙的致病突變基因及表型影響。在研究精神障礙的發(fā)病機制方面，采用雙生子設計，可專注于研究遺傳或環(huán)境中特有的某一因素，為精神障礙的治療提供更精準的途徑。MZ之間有著相當大的表觀基因組差異，表觀遺傳變異可能導致遺傳上相同的個體之間表型不一致，因此，研究MZ之間的表觀遺傳差異有助于深入探究精神障礙的發(fā)病機制，為患者提供更具個性化的治療方案。