環(huán)狀RNA在抑郁癥中的研究進(jìn)展

譚桂鳳,肖頌華,張 涵,馮文輝,劉中霖

(中山大學(xué) 孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院神經(jīng)科,中國廣東 廣州 510120)

抑郁癥(major depressive disorder,MDD)是一類以顯著而持久的興趣減退或是情感低落為主要臨床特征的情感障礙,并伴有認(rèn)知、行為、生物學(xué)紊亂和軀體癥狀,其共病心血管疾病、消化系統(tǒng)疾病、糖尿病的概率明顯高于正常人群[1～3],具有高患病率、高致殘率、高自殺率的特點(diǎn),不僅給護(hù)理人員造成巨大的精神壓力,同時也給社會和患者家庭帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查估計,2020年抑郁癥將成為僅次于心血管疾病的第二大致殘性疾病,到2030年抑郁癥的發(fā)病率將躍居首位,成為全球亟需解決的精神障礙[4]。但目前為止,尚無肯定的生物學(xué)標(biāo)記物用于抑郁癥的診斷,其治療主要針對臨床癥狀,因此積極探索有效且簡便可靠的生物學(xué)標(biāo)記物對抑郁癥的診療及預(yù)防至關(guān)重要。

抑郁癥的發(fā)生發(fā)展是一個復(fù)雜的過程。人們普遍認(rèn)為其是遺傳因素和環(huán)境因素相互作用導(dǎo)致的疾病,但抑郁癥的具體發(fā)病機(jī)制尚不十分清楚。神經(jīng)病理學(xué)研究提示,大腦功能受損和突觸可塑性改變可能導(dǎo)致抑郁癥發(fā)生[5]。但單一的機(jī)制無法解釋抑郁癥的發(fā)病機(jī)理。近年來分子遺傳學(xué)研究認(rèn)為,環(huán)境因素和不良成長歷程可能導(dǎo)致抑郁癥患者某些特定的基因發(fā)生表觀遺傳改變,并相互作用導(dǎo)致神經(jīng)元功能異常和突觸可塑性改變等[6]。此外,有許多研究發(fā)現(xiàn)了抑郁癥的表觀遺傳生物標(biāo)記,如長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)、微 RNA(microRNA,miRNA)和 DNA甲基化[7～9]。近幾年,環(huán)狀 RNA(circular RNA,circ-RNA)在抑郁癥中的作用備受關(guān)注,抑郁癥模型動物研究及臨床研究結(jié)果表明:circRNA在抑郁癥發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用,可能成為抑郁癥的表觀遺傳生物標(biāo)記或藥物治療靶點(diǎn)[10]。本文主要就circRNA的生物學(xué)特征和功能及其在抑郁癥研究中的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 circRNA簡述

circRNA是一類通過非經(jīng)典方式反向剪接形成的,以共價鍵形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)源性非編碼RNA分子,分布廣泛且種類豐富,具有高度保守性[11]和組織發(fā)育階段特異性[12]。同時,circRNA是閉合環(huán)狀分子,沒有5'端帽結(jié)構(gòu)和3'端多聚腺苷尾巴,因此可以抵抗RNA外切酶和分支酶降解,較其他線性RNA更加穩(wěn)定,半衰期大約是信使RNA(message RNA,mRNA)的 5倍。circRNA作為一類廣泛表達(dá)的非編碼RNA,其生物學(xué)功能主要包括以下3個方面:1)對miRNA的海綿吸附作用。miRNA是一類非編碼線性RNA分子,可通過堿基互補(bǔ)配對方式負(fù)性調(diào)節(jié)靶基因mRNA表達(dá)。通常,每個circRNA包含多個miRNA結(jié)合位點(diǎn),可以作為競爭性內(nèi)源RNA海綿吸附miRNA,從而影響miRNA對靶基因mRNA的調(diào)控。例如:circDYM通過吸附miR-9調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞活性并改善小鼠的抑郁樣行為[13];2)與RNA結(jié)合蛋白(RNA-binding protein,RBP)相互作用。circRNA與RBP結(jié)合形成circRNA-RBP復(fù)合物,進(jìn)而發(fā)揮調(diào)控底物功能。例如:circHomer1a通過與HuD相互作用影響突觸基因表達(dá)和認(rèn)知功能,從而參與精神分裂癥的發(fā)生發(fā)展[14];3)翻譯功能。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為circRNA為非編碼RNA,但近年也有研究指出circRNA可以通過與核糖體結(jié)合促進(jìn)開環(huán)表達(dá),從而翻譯成具有生物活性的多肽或蛋白質(zhì)[15]。circ-RNA獨(dú)特的生物學(xué)特征及豐富的生物學(xué)功能使其從眾多非編碼RNA中脫穎而出,成為新的研究熱點(diǎn)。

2 circRNA與抑郁癥

抑郁癥是一類涉及大腦發(fā)育及突觸可塑性異常的情感性精神障礙,而circRNA在哺乳動物大腦中表達(dá)豐富且相對保守,具有發(fā)育階段特異性[12]。此外,circRNA在神經(jīng)元形成、發(fā)育、增殖、分化以及突觸可塑性過程中扮演重要角色,其表達(dá)失調(diào)與神經(jīng)精神疾病的發(fā)生發(fā)展相關(guān)[16]。因此,circ-RNA可能通過表觀遺傳修飾參與抑郁癥的發(fā)生發(fā)展,這為診斷和治療抑郁癥提供了新的思考和方向,有望作為抑郁癥診斷、療效評估和預(yù)后的生物標(biāo)記物,且可能成為抗抑郁藥物治療的新靶點(diǎn)。

2.1 動物水平研究

大量研究表明,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞異常激活及功能障礙與抑郁癥病生理改變有關(guān)。在動物水平研究中,通過慢性不可預(yù)測應(yīng)激(chronic unpredictable stress,CUS)或脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)抑郁癥模型小鼠,Zhang等[13]發(fā)現(xiàn)circDYM可以抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化從而顯著改善抑郁樣癥狀,其機(jī)制可能是circDYM通過海綿吸附作用抑制miR-9活性,促使下游分子HECT結(jié)構(gòu)域E3泛素蛋白連接酶1(HECT domain E3 ubiquitin protein ligase 1,HECTD1)表達(dá)增加,隨之導(dǎo)致熱休克蛋白90(heat shock protein 90,HSP90)泛素化增加、HSP90水平減少,從而減少小膠質(zhì)細(xì)胞活化。此外,在CUS誘導(dǎo)的抑郁癥模型小鼠中,Huang等[17]發(fā)現(xiàn)circSTAG1可以通過與N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)去甲基酶ALKBH5結(jié)合,減少ALKBH5向細(xì)胞核的移位,隨后促使脂肪酰胺水解酶(fatty acid amide hydrolase,FAAH)mRNA的m6A甲基化增加和FAAH水平減少,從而改善星形膠質(zhì)細(xì)胞功能,緩解CUS誘導(dǎo)小鼠的抑郁樣癥狀。

另外,諸多研究表明腸道微生物菌群在維持宿主穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用,其通過微生物-腸-腦軸不僅可影響神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和功能,還可調(diào)節(jié)5-羥色胺、γ-氨基丁酸、去甲腎上腺素、多巴胺以及乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì),從而參與神經(jīng)精神疾病的發(fā)生發(fā)展[18]。近年來,研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者和抑郁癥模型小鼠的腸道微生物菌群紊亂[19～21],而抑郁癥患者腸道微生物菌群被移植到無菌小鼠后可導(dǎo)致抑郁樣行為,且核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族3(nucleotide-binding oligomerization domainlike receptor 3,NLRP3)基因敲除小鼠的糞便微生物菌群被移植到受體小鼠后,可以顯著改善CUS誘導(dǎo)的受體小鼠的抑郁樣行為[22]。Zhang等[22]在CUS誘導(dǎo)的抑郁癥模型小鼠中發(fā)現(xiàn),circHIPK2水平顯著增加;NLRP3基因敲除小鼠的糞便微生物菌群可能通過抑制circHIPK2表達(dá),減少CUS對受體小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞功能的損害及隨后出現(xiàn)的抑郁樣癥狀,其中部分代謝產(chǎn)物可能參與了circHIPK2介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞功能調(diào)節(jié)。該研究首次探索了在CUS誘導(dǎo)的抑郁癥模型小鼠中微生物菌群與circHIPK2水平的相關(guān)性,揭示了宿主-微生物菌群-circRNA相互作用的新機(jī)制。

目前,藥物治療仍是抑郁癥治療的主要方法,探討抗抑郁藥物的分子網(wǎng)絡(luò)機(jī)制有利于疾病的精準(zhǔn)有效治療。氯胺酮是一種新型抗抑郁藥物,亞麻醉劑量的氯胺酮可以在抑郁癥患者和抑郁癥動物模型中快速產(chǎn)生療效且效果持久,對傳統(tǒng)抗抑郁藥物耐藥的患者也具有治療效果[23～25]。在氯胺酮處理的大鼠中,Mao等[26]采用微陣列芯片篩查和實(shí)時定量PCR驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),海馬區(qū)rno_circRNA_014900的水平增加而rno_circRNA_005442的水平減少。rno_circRNA_014900和rno_circRNA_005442有多個miRNA結(jié)合位點(diǎn),部分miRNAs與抑郁癥發(fā)病密切相關(guān)。同時,這兩個circRNAs與神經(jīng)發(fā)育形成、樹突棘生長有關(guān),并參與Wnt、PI3K-Akt、多巴胺能突觸及軸突導(dǎo)向等信號通路,其中部分信號通路已被證實(shí)與抑郁癥發(fā)生相關(guān),例如:Wnt信號通路在抑郁樣行為以及抗抑郁治療中起重要作用[27～29];PI3K-Akt信號通路與抑郁癥發(fā)生發(fā)展及某些藥物的快速抗抑郁樣作用有關(guān)[30～31]。此外,從藥用植物中提取的活性成分在改善輕型抑郁癥方面也具有潛在作用。例如:Zhang等[32]發(fā)現(xiàn)三七葉總皂苷可以緩解輕度慢性不可預(yù)測應(yīng)激(chronic unpredictable mild stress,CUMS)誘導(dǎo)的抑郁癥模型小鼠的抑郁樣行為,其機(jī)制可能是三七葉總皂苷上調(diào)mmu_circ_0001223水平,促使與抑郁癥相關(guān)的環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein 1,CREB1)和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)水平升高。由于抑郁癥發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,新型抗抑郁藥物的藥理機(jī)制應(yīng)涉及多個基因和通路。miRNA和circRNA在抑郁癥病生理過程中發(fā)揮重要作用,而circRNA可以吸附多個mi-RNAs,調(diào)控多個靶基因。因此,人工構(gòu)建circRNA藥物可能是抗抑郁療法的新方向。

2.2 臨床水平研究

目前,臨床上診斷抑郁癥主要依靠臨床病史采集,缺乏客觀診斷依據(jù),易造成漏診、誤診。近年來,在臨床水平研究中,孔令明等[33]選取5名抑郁癥患者和5名健康個體行基因芯片篩查,確定了10個差異表達(dá)的circRNAs,隨后通過實(shí)時定量PCR驗(yàn)證circRNA水平,并采用24項(xiàng)漢密爾頓抑郁量表(24-items Hamilton Depression Scale,HAMD24)評估抑郁癥狀,結(jié)果顯示:circRNA_100679水平對抑郁癥嚴(yán)重程度有較好的預(yù)測價值,而circRNA_002143和circRNA_103636水平與患者的抑郁癥狀有密切關(guān)系。在另外一項(xiàng)研究中,孔令明等[34]發(fā)現(xiàn),抑郁癥患者存在認(rèn)知功能障礙,而circRNA_103636、circRNA_100679和 circRNA_104953水平對抑郁癥患者的認(rèn)知功能有一定預(yù)測作用,提示部分circRNA可能通過損害個體的認(rèn)知功能調(diào)控抑郁癥病生理過程。Cui等[10]在100例未服藥的抑郁癥患者外周血單個核細(xì)胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)中發(fā)現(xiàn),與正常對照組相比,抑郁組有4個顯著差異表達(dá)的circRNAs(hsa_circRNA_002143、hsa_circRNA_10-3636、hsa_circRNA_100679 和 hsa_circRNA_1049);隨機(jī)挑選30例抑郁癥患者,使用抗抑郁藥物(包括西酞普蘭/舍曲林/氟伏沙明分別聯(lián)合米氮平)治療4周和8周后復(fù)查circRNA水平,發(fā)現(xiàn)僅有表達(dá)下調(diào)的hsa_circRNA_103636在使用抗抑郁藥物之后顯著上調(diào);進(jìn)一步采用ROC曲線評價hsa_circRNA_103636的診斷價值,結(jié)果表明hsa_circ-RNA_103636的曲線下面積為0.632(95%CI:0.533～0.688),敏感性為0.73,特異性為0.65。因此,PBMCs中的hsa_circRNA_103636可能作為抑郁癥的診斷和預(yù)后指標(biāo)。

此外,抑郁癥能增加患糖尿病的風(fēng)險,促進(jìn)2型糖尿病的發(fā)展以及隨后的并發(fā)癥,如胰島素抵抗、高血壓和心腦血管病等;糖尿病也可以增加患抑郁癥的風(fēng)險,且2型糖尿病合并抑郁癥對個體影響極大,相比單純的2型糖尿病或是抑郁癥,其死亡風(fēng)險更高[35～36]。這種聯(lián)系提示兩種疾病之間可能存在相互作用。An等[37]發(fā)現(xiàn)全血中的circ-RNA-TFRC(transferrin receptor,TFRC)和circ-RNA-TNIK(Traf2-and Nck-interacting kinase,TNIK)水平在糖尿病共病抑郁癥患者中較單純的糖尿病患者顯著增加。TFRC與胰島素抵抗相關(guān),是糖尿病和代謝綜合征的危險因素[38～39]。而TNIK是一種腦內(nèi)高表達(dá)的絲氨酸/蘇氨酸激酶,通過調(diào)節(jié)突觸組成和活性密度,對樹突發(fā)育和突觸傳遞具有良好作用,其表達(dá)缺少可導(dǎo)致智力障礙[40～41]。Jiang等[42]將研究對象分為糖尿病共病抑郁癥組和單純的糖尿病對照組,通過微陣列芯片檢測出差異表達(dá)的circRNAs共247個,其中183個circ-RNAs上調(diào),64個circRNAs下調(diào);挑選4個顯著差異表達(dá)的circRNAs(hsa_circRNA_005019、hsa_circRNA_015115、hsa_circRNA_003251和hsa_circ-RNA_100918)進(jìn)行實(shí)時定量PCR驗(yàn)證,檢測結(jié)果與測序結(jié)果一致;進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn),這4個circ-RNAs與18個miRNAs和529個mRNAs相互作用,其中 hsa_circRNA_015115和 hsa_circRNA_003251競爭性結(jié)合has_miR_761發(fā)揮海綿吸附作用,調(diào)控has_miR_761水平。相關(guān)研究表明,has_miR_761可以調(diào)節(jié)線粒體網(wǎng)絡(luò)及促進(jìn)學(xué)習(xí)和記憶[43],而has_miR_761高表達(dá)能抑制p38絲裂原激活的蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinase,p38 MAPK)信號通路[44]。因此,hsa_circRNA_015115和 hsa_circRNA_003251可能通過調(diào)節(jié)has_miR_761參與抑郁癥發(fā)病,但是其確切的機(jī)制需要進(jìn)一步探索。同時,Jiang等[42]通過KEGG通路分析發(fā)現(xiàn),hsa-circRNA_003251、hsa-circ-RNA_015115、hsa-circRNA_100918 和 hsa_circ-RNA_001520與甲狀腺激素、Wnt、ErbB、MAPK 信號通路緊密聯(lián)系。此外,針對糖尿病共病抑郁癥患者使用八段錦運(yùn)動療法治療前后的mRNA、lncRNA和circRNA水平,An等[45]首次對其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,發(fā)現(xiàn)糖尿病共病抑郁癥患者行八段錦運(yùn)動療法治療12周后,有610種mRNAs、207種lncRNAs和266種circRNAs的表達(dá)水平存在差異,而血糖水平、抑郁癥指數(shù)和患者健康問卷量表-9分?jǐn)?shù)顯著降低,提示八段錦運(yùn)動療法是一種安全有效的干預(yù)措施,可以通過調(diào)節(jié)lnc-RNA、mRNA和circRNA有效改善患者的抑郁癥狀和血糖水平,該研究為探討八段錦運(yùn)動療法抗糖尿病共病抑郁癥的潛在機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

3 展望

表觀遺傳機(jī)制如miRNA已被認(rèn)為在調(diào)節(jié)基因表達(dá)和抑郁癥易感性方面發(fā)揮重要生物學(xué)功能[46],因此miRNA可能成為診斷抑郁癥的生物標(biāo)記物及治療靶點(diǎn)。circRNA不僅可以通過海綿樣吸附結(jié)合多個miRNAs,調(diào)控多個mRNAs表達(dá),還可以通過與RBP結(jié)合影響基因表達(dá),因此circRNA是研究抑郁癥的新方向。雖然該領(lǐng)域的研究仍處于初級探索階段,但生物信息學(xué)、分子遺傳學(xué)及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)等的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)circRNA用于抑郁癥診斷、治療與療效評估提供了可能性。未來,相關(guān)工作需進(jìn)一步探討circRNA在抑郁癥發(fā)生發(fā)展中的分子機(jī)制,人工構(gòu)建circRNA新型抗抑郁藥物,監(jiān)測circRNA在臨床診療中的動態(tài)變化,這有望為抑郁癥的診斷、治療提供新手段。