抑郁癥影像表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展

李磊,汪天宇,岳瑩瑩,袁勇貴

1 概述

抑郁癥(major depressive disorder,MDD)以顯著而持久的心境低落、興趣喪失及快感缺失為主要臨床特征,其較高的患病率和顯著的功能損害帶來(lái)了沉重的疾病負(fù)擔(dān)。MDD被認(rèn)為是遺傳易感性和環(huán)境應(yīng)激交互作用的結(jié)果。遺傳學(xué)研究將二者視為兩個(gè)獨(dú)立因素,而統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上發(fā)現(xiàn)的基因與環(huán)境交互作用的臨床意義有待商榷。特別是基因與環(huán)境交互作用背后的分子基礎(chǔ)仍有待深入研究[1]。

表觀遺傳學(xué)機(jī)制通過(guò)不涉及基因組DNA序列突變的基因調(diào)控機(jī)制(如DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA等)發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。同卵雙生子研究發(fā)現(xiàn),隨著年齡增長(zhǎng)非共享環(huán)境差異的增大,遺傳素質(zhì)相同的同卵雙生子間的基因組DNA甲基化的差異也逐漸增大[2]?？梢?jiàn),DNA甲基化可被環(huán)境因素動(dòng)態(tài)改變,其作為一種可能的基因與環(huán)境交互作用的分子機(jī)制正得到越來(lái)越多研究者的重視。

神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的急速進(jìn)展使得研究抑郁癥的特異性癥狀對(duì)應(yīng)的大腦的結(jié)構(gòu)、連接和功能的獨(dú)特改變成為可能,神經(jīng)影像學(xué)指標(biāo)可作為客觀內(nèi)表型提示抑郁癥存在神經(jīng)環(huán)路異常[3]。而表觀遺傳學(xué)在環(huán)境因素動(dòng)態(tài)調(diào)控神經(jīng)元活性、神經(jīng)可塑性等生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用[4]。近年來(lái),研究者把DNA甲基化視為環(huán)境因素影響抑郁癥神經(jīng)環(huán)路異常的中介因素,將表觀遺傳學(xué)技術(shù)和神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)聯(lián)合用于抑郁癥研究,為闡明基因與環(huán)境交互作用對(duì)腦功能影響的生物學(xué)機(jī)制提供了新視野。這意味著不再將基因和環(huán)境視為兩個(gè)獨(dú)立因素,環(huán)境因素通過(guò)改變DNA甲基化而影響特定基因表達(dá)水平,從而參與了對(duì)個(gè)體神經(jīng)環(huán)路的影響,繼而影響抑郁癥發(fā)病。

前期研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者的5-羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)體基因SLC6A4、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)基因和糖皮質(zhì)激素受體基因NR3C1等基因的啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化升高[5]。在這些研究的基礎(chǔ)上,抑郁癥相關(guān)影像表觀遺傳學(xué)(imaging epigenetics)研究主要聚焦在抑郁癥的5-羥色胺(serotonin,5-HT)遞質(zhì)假說(shuō)、神經(jīng)再生與可塑性假說(shuō)和下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸失衡假說(shuō)相關(guān)的基因,本文綜述了這3個(gè)假說(shuō)相關(guān)的研究證據(jù),為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供參考。

2 5-HT遞質(zhì)假說(shuō)

抑郁癥患者存在5-HT遞質(zhì)失衡,絕大多數(shù)抗抑郁藥物均可增加突觸間隙5-HT水平,5-HT轉(zhuǎn)運(yùn)體編碼基因SLC6A4也被證實(shí)與抑郁癥、早年負(fù)性應(yīng)激有關(guān)。一項(xiàng)結(jié)構(gòu)磁共振研究發(fā)現(xiàn)在包括抑郁癥和對(duì)照組的所有受試者中,更多的童年創(chuàng)傷和更小的海馬體積均與SLC6A4啟動(dòng)子區(qū)DNA高甲基化水平相關(guān)[6];彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)磁共振研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者SLC6A4甲基化與胼胝體的各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy,FA)和軸向彌散(axial diffusivity,AD)顯著負(fù)相關(guān)[7]。抑郁癥患者和健康對(duì)照的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)功能連接與SLC6A4啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化的關(guān)系恰好相反:抑郁癥患者DMN功能連接與SLC6A4啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化顯著負(fù)相關(guān),而在健康對(duì)照則呈正相關(guān)[8]。Frodl等[9]發(fā)現(xiàn)SLC6A4啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化與負(fù)性情緒相關(guān)的左側(cè)前腦島活性顯著正相關(guān),與情緒注意轉(zhuǎn)移相關(guān)右側(cè)后腦島活性顯著負(fù)相關(guān)。SLC6A4基因DNA甲基化和杏仁核的關(guān)系得到了許多研究的關(guān)注。Nikolova等[10]發(fā)現(xiàn)青少年的SLC6A4啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化水平和功能磁共振測(cè)量的恐懼相關(guān)的杏仁核活性顯著正相關(guān),這種相關(guān)性也可見(jiàn)于在成年健康人群和抑郁癥患者[9,11]。而在有焦慮、抑郁家族史的青少年中,較低的社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況與之后的SLC4A4高甲基化水平相關(guān),可增強(qiáng)負(fù)性情緒相關(guān)海馬活性,繼而預(yù)測(cè)之后的抑郁癥狀嚴(yán)重程度[12]。這一關(guān)鍵性研究首次揭示了環(huán)境因素致病過(guò)程中的影像表觀遺傳學(xué)機(jī)制。

3 神經(jīng)再生與可塑性假說(shuō)

神經(jīng)再生與可塑性是抑郁癥發(fā)病及抗抑郁治療過(guò)程中的關(guān)鍵性機(jī)制。BDNF是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族的重要成員,它是正常神經(jīng)可塑性發(fā)生的關(guān)鍵分子。BDNF基因DNA甲基化在抑郁癥發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵性作用[13]。韓國(guó)一個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者BDNF啟動(dòng)子區(qū)1個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平與前放射冠(anterior corona radiata,ACR)的FA和AD呈負(fù)相關(guān)[14];同一研究組的另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者右內(nèi)側(cè)眶額葉(medial orbitofrontal)和左舌葉皮質(zhì)厚度減少,且兩區(qū)域皮質(zhì)厚度與BDNF甲基化負(fù)相關(guān)[15]。鈣素(tescalcin,TESC)基因可調(diào)控神經(jīng)元增殖、分化,兩項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association study,GWAS)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)TESC基因rs7294919的T等位基因與海馬體積減少相關(guān)[16-17];進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者rs7294919周邊的1個(gè)CpG位點(diǎn)DNA甲基化與海馬旁扣帶FA呈負(fù)相關(guān)、與其RD呈正相關(guān)[18]。正齒狀同源框基因2(orthodenticle homeobox 2,OTX-2)是神經(jīng)發(fā)育與神經(jīng)可塑性過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控基因[19]。在經(jīng)歷早年虐待的兒童中,其OTX-2啟動(dòng)子區(qū)DNA高甲基化水平可預(yù)測(cè)右側(cè)腹內(nèi)側(cè)前額葉(ventromedial prefrontal cortex,vmPFC)皮質(zhì)到雙側(cè)內(nèi)側(cè)額葉皮質(zhì)(medial frontal cortex)、扣帶回的功能連接增強(qiáng)[20]。

4 HPA軸功能失衡假說(shuō)

抑郁癥患者存在應(yīng)激相關(guān)的HPA軸功能失調(diào)。糖皮質(zhì)激素是HPA軸應(yīng)對(duì)環(huán)境應(yīng)激的主要效應(yīng)因子,它可以通過(guò)神經(jīng)可塑性改變影響情感環(huán)路[21]?；谌蚪MDNA甲基化數(shù)據(jù)計(jì)算得到的DNA甲基化年齡被證實(shí)在青少年日間皮質(zhì)醇高水平和海馬體積減少之間發(fā)揮中介作用,有研究認(rèn)為DNA甲基化可作為HPA軸功能失衡所致神經(jīng)結(jié)構(gòu)改變的表觀遺傳學(xué)標(biāo)記物[22]。一項(xiàng)同卵雙生子研究發(fā)現(xiàn),糖皮質(zhì)激素受體基因NR3C1的1D外顯子附近一個(gè)CpG位點(diǎn)高甲基化與較低的焦慮-抑郁家族易感性以及情感網(wǎng)絡(luò)中右側(cè)海馬連接減低相關(guān)[23]。糖皮質(zhì)激素受體拮抗因子的編碼基因FKBP5相關(guān)研究關(guān)注于其內(nèi)含子7上的兩個(gè)CpG位點(diǎn)(CpG6和CpG7)。在MDD及健康對(duì)照中,FKBP5基因內(nèi)含子7的低甲基化水平與較低的額下回眶部(inferior frontal gyrus pars orbitalis,IFGO)灰質(zhì)密度相關(guān)[24];健康對(duì)照組的甲基化水平與左側(cè)眶額葉皮質(zhì)(orbitofrontal cortex,OFC)-喙部前額葉(rostral prefrontal cortex,RPFC)功能連接負(fù)相關(guān)、與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)功能連接正相關(guān)[8];在MDD患者,FKBP5基因DNA甲基化水平與IFGO激活呈負(fù)相關(guān)[24]、與DMN連接呈負(fù)相關(guān)[8];在FKBP5基因的rs1360780d多態(tài)性的C純合個(gè)體中,內(nèi)含子7上的CpG6位點(diǎn)甲基化水平與右側(cè)橫前額極回(transverse frontopolar gyrus)皮質(zhì)厚度呈正相關(guān)[25]。

5 總結(jié)與展望

不斷增加的證據(jù)證明特定基因的DNA甲基化可影響抑郁癥及健康個(gè)體的大腦結(jié)構(gòu)和功能。但是影像表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究仍存在幾個(gè)問(wèn)題:首先是方法學(xué)的挑戰(zhàn),大部分研究采用了橫斷面研究設(shè)計(jì)探討了DNA甲基化改變與腦影像異常的關(guān)聯(lián),僅有1項(xiàng)研究通過(guò)縱向設(shè)計(jì),應(yīng)用中介效應(yīng)分析方法驗(yàn)證了高遺傳風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體的“環(huán)境因素DNA甲基化腦影像改變抑郁癥狀”的路徑機(jī)制[12]。縱向隨訪設(shè)計(jì)有助于進(jìn)一步從時(shí)間相關(guān)性探索DNA甲基化和神經(jīng)影像改變的因果關(guān)系[26]。這能夠?yàn)樯钊虢沂疽钟舭Y神經(jīng)環(huán)路異常相關(guān)DNA甲基化機(jī)制提供可能。

其次是候選基因的選擇問(wèn)題,絕大部分研究應(yīng)用候選基因策略研究了抑郁癥三個(gè)經(jīng)典假說(shuō)通路上的關(guān)鍵性基因。作為抑郁癥的重要致病假說(shuō)之一的炎癥機(jī)制在近年來(lái)得到越來(lái)越多的重視。目前,僅1項(xiàng)研究使用全基因組甲基化測(cè)序方法計(jì)算甲基化年齡[22]。在未來(lái)研究中應(yīng)用全表觀基因組關(guān)聯(lián)研究(epigenome-wide association study,EWAS)方法能發(fā)現(xiàn)新的候選基因或通路,拓寬抑郁癥的發(fā)病機(jī)制研究視野。例如,候選基因研究與EWAS研究共同發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者白介素-6基因啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化水平改變[27-28]。炎癥相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)特征與神經(jīng)影像改變有什么樣的關(guān)系值得在將來(lái)的研究中進(jìn)一步探索。

DNA樣本來(lái)源的選擇,上述抑郁癥相關(guān)影像表觀遺傳學(xué)研究主要采集外周生物樣本,其測(cè)量的外周DNA甲基化特征是否能夠反應(yīng)中樞有待商榷。多數(shù)研究檢測(cè)了外周血DNA甲基化水平;少數(shù)研究,特別是青少年群體的研究使用唾液樣本。動(dòng)物研究表明,唾液和腦組織的DNA甲基化特征最為相似[29],臨床研究也認(rèn)為唾液和頰粘膜樣本更適宜用于影像表觀遺傳學(xué)研究[30]。頰粘膜是唾液中細(xì)胞的主要類型,從胚胎發(fā)育角度,頰粘膜細(xì)胞和腦組織共同起源于外胚層胚葉[31]。所以,頰粘膜細(xì)胞和唾液的DNA甲基化特征更能反應(yīng)腦內(nèi)表觀遺傳變化。

總之,盡管尚存在一些不足,影像表觀遺傳學(xué)研究為我們理解抑郁癥神經(jīng)環(huán)路改變相關(guān)的基因與環(huán)境交互作用的分子機(jī)制帶來(lái)了理論和方法學(xué)的革新。DNA樣本的來(lái)源選擇、EWAS的研究策略和縱向研究設(shè)計(jì)在未來(lái)的研究中需要被重視。此外,非編碼RNA在抑郁癥發(fā)病及抗抑郁治療中的作用也正逐漸得到研究者的重視,其與神經(jīng)影像學(xué)改變的關(guān)系也值得深入研究。