7.2 精神分裂症表观遗传学研究进展
最新发表于Cell杂志同一期的两篇论文均同时证实，DNA甲基化图谱作为表观遗传信息中重要的一类是可以遗传的，而且是通过精子携带从父辈传递到子代，对早期胚胎发育起着重要的调控作用［17，18］。这是首次以实验手段证明某些表观遗传信息可以被完整地遗传的研究报道。该研究颠覆了早期胚胎发育的表观调控由卵子决定的传统认识。这些表观遗传领域标志性的研究成果也为精神疾病的表观遗传学研究提供重要的指示作用。精神疾病的表观遗传学研究也证实，除了DNA序列变异和环境因素外，表观遗传可能在精神疾病的发病机制中扮演着重要角色［19］。精神分裂症的表观遗传现象的证据最初来自双生子精神分裂症的流行病学调查。调查发现，单卵双生子比异卵双生子的同病率要高，达到了48%左右［20］。单卵双生子的基因组DNA序列完全相同，但精神分裂症的同病率也仅约为48%。这说明，除了DNA序列的变异外，基因的表观修饰也在精神分裂症的发病中起着重要作用。神经解剖学研究发现，精神分裂症患者尸脑中REELIN基因的mRNA表达丰度很低，为正常对照的一半以下［21］。REELIN蛋白是一种哺乳动物大脑神经元发育的调控蛋白，其表达活性与基因启动子区域的甲基化有关，超甲基化可以抑制该基因的表达［22］。关于精神疾病的动物模型的研究为揭示精神疾病发病机理提供了一些令人兴奋的证据。最新发表于Science杂志上的一篇研究利用模型小鼠来模拟青少年遭受社会孤立的情形，发现具有精神疾病遗传倾向的模型小鼠会表现出与精神疾病相关的异常行为，将这些有精神疾病行为的异常小鼠放回到群体中时，这些异常的行为表现将继续伴随着它们，出现这种现象的机制是由于隔离作为一种应激源，使得模式小鼠的糖皮质激素水平升高，导致了酪氨酸羟化酶Th基因发生了甲基化，抑制了该基因的表达，而酪氨酸羟化酶是调控多巴胺水平的一个限速酶，进而导致了大脑中一些控制情绪和认知等相关生理活动的区域中的神经递质多巴胺的水平显著降低，使得模式小鼠表现出与精神疾病相关的异常行为［23］。这是一项关于表观遗传学修饰参与而导致精神疾病异常行为的直接证据之一。
精神疾病属于复杂疾病，它有许多特征仅从DNA序列变异很难得到合理解释。表观遗传现象同样受环境影响，如机体营养状态、外界刺激、药物作用等都可能改变表观遗传状态［24］。由环境因素参与而导致的精神疾病在相当程度上可能是由于表观遗传机制介导所致。例如，孕期营养不良、季节更替、出生地的纬度、气候和出生在城市还是乡村等环境因素导致患精神疾病风险程度不同的原因也许可以从激素导致的表观遗传修饰紊乱而找到相关证据。因此，从表观遗传学角度研究精神疾病，为早日揭开精神疾病的发病机理提供了新的研究思路。许多表观遗传的改变是可逆的，在弄清楚精神疾病发病的表观遗传机制后，也许部分精神疾病可以得到治疗。
近年来，许多疾病，特别是神经精神疾病，已被发现是遗传易感性与环境损害之间复杂的相互作用的结果［25－29］。精神分裂症是由精神紊乱的、情感和认知症状定义的复杂和致残疾病。精神分裂症的阳性症状包括幻觉、精神紊乱和躁狂症，而阴性症状包括快感缺乏和社交退缩。虽然认知功能通常是完整的，但工作记忆能力可能会受到严重损伤。该疾病通常发生在青春期后期或成年早期，这个时期是神经发育的关键时期，此时期的特征在于活动依赖性突触修剪和前额皮质（PFC）的最终成熟。而PFC是调节更高认知功能的大脑区域，其为工作记忆和情绪控制大脑区域。精神分裂症中的阳性症状主要与整个脑中DA信号传导的上调相关；而阴性和认知症状是由异常的多巴胺信号传导、GABA能信号传导与PFC、海马中的低活性NMDA功能之间的复杂作用引起的。从神经形态学水平来看，精神分裂症患者的大脑表现出皮质中神经元连接的数量减少和复杂性降低，这表明在神经发育的晚期阶段中异常的突触修剪。PFC中树突复杂性的降低与精神分裂症常见的认知缺陷相关。
尽管精神分裂症损害具有全球性，其程度也是相对较大，但目前几乎没有有效的治疗方法，而且许多疗法具有严重的副作用。抗精神病药物主要针对多巴胺D2受体信号传导。在动物模型中，作用于D2受体的抗精神病药可以诱导多巴胺神经元失活或阻断其去极化；用苯丙胺类药物治疗可增加多动症或其他精神病相关的行为，而用抗精神病药物——氯氮平治疗可以逆转这些影响［30，31］。最近有人提出，DA信号系统的过度活跃可能与海马和腹侧的大脑脚盖中抑制性神经元功能的降低有关。因为海马中小白蛋白中间神经元的选择性减少将会导致下游多巴胺神经元活性的增加［32，33］。
多巴胺信号在精神分裂症中的重要性有三个方面的证据：第一，最有效的精神分裂症药物是D2R靶向抗精神病药，D2受体占有率高达90%；第二，大多数精神分裂症患者对多巴胺激动剂具有高度敏感性，会立即表现出精神病和其他阳性症状；第三，功能成像研究为大脑中的多巴胺过度活跃提供了压倒性的证据，即使在无症状或未用药物治疗的患者中也是如此［34，35］。绝大多数情况下，功能成像显示突触前纹状体多巴胺活性的上调。多巴胺能信号的变化与前额皮质中的执行功能相关，多巴胺信号的操纵导致许多大脑区域（包括前额皮质、海马、纹状体、基底神经节和硬膜）的网络中断［36，37］。
尽管DA信号传导与精神分裂症之间在功能上存在强烈的关联，但在统计学上GWAS尚未发现含有多巴胺相关基因的显著基因座。在某种程度上数量性状基因座和候选基因定位取得了更大的成功，且已发现几个特别强关联度的候选基因或座位，包括DISC1，NRG1和5号染色体上的GABA-A受体亚基簇［38］。然而，这些研究大多不能够被重复证实，其原因可能是由于种群差异、风险基因的影响力非常小、上位效应和环境因素。由于多项大型全基因组研究已经确定精神分裂症与其他主要精神疾病之间存在强烈重叠，现在正在努力给出基于内表型的精神分裂症的定义而非通过诊断下定义［39，40］。一种与DA相关的内表型方法的代表是COMT（儿茶酚-O-甲基转移酶），它有助于从突触中清除DA。COMT Val158Met多态性已在人类中得到充分研究：在对照受试者和精神分裂症患者的未受影响的兄弟姐妹中Val等位基因与前额叶DA水平降低和工作记忆受损有关，特别是在更困难的任务期间，但采用安非他明药物来治疗可有助于其功能的恢复［37］。在对照组和精神分裂症患者中，Val等位基因对工作记忆和阴性症状都有负面影响［41］。有趣的是，许多研究表明COMT与其他精神分裂症风险基因的多态性存在相互作用，包括AKT，MTHFR，DRD2，DTNBP1［42］。
DA拮抗剂在减少或消除精神分裂症患者的幻觉症状等方面非常有效，但抗精神病药对精神分裂症的情感和认知症状几乎没有影响。最近的研究表明，PFC中NMDA和GABA信号传导的相互作用也可能对该疾病的发病机制有影响。NMDA信号传导，特别是在青春期，是维持和修正突触形成所必需的。但在精神分裂症患者体内，NMDA信号传导被降低［43］。在动物模型中，已知NMDA功能减退诱导出遗传学或药理学上有关精神分裂症中观察到的相似的阳性和阴性行为内表型。NMDA拮抗剂可以在急性和慢性范例中产生多种相关的积极、消极和认知行为，如活动过度、快感缺乏和社交戒断，同时包括多巴胺信号传导失调、前额皮质中正常抑制性或兴奋性电路的中断［44］。经过遗传工程改造以表达仅5%的必需NMDAR亚基NR1的小鼠显示出类似精神分裂症的行为，包括增加的运动和刻板症。精神分裂症患者的NMDA功能明显受损，如NMDA、环丝氨酸和其他内源性NMDAR激动剂在精神分裂症患者的死后前额叶和纹状体组织中减少，NMDAR亚基NR2和下游NMDA信号传导组分NRG1和ERBB4也是如此［45，46］。NMDA拮抗剂在正常受试者中诱导精神病和认知障碍，并且加剧了精神病患者的症状［47，48］。最近，精神分裂症患者的拷贝数变异分析和外显子组测序显示脑发育相关基因突变的显著过度，特别是与NMDA信号通路相关的基因［49，50］。前额叶谷氨酸能神经元的活性受GABA能中间神经元的严格调节，并且与NMDA信号传导一样，GABA能信号在精神分裂症中失调。GAD1（负责合成GABA的酶）的水平在死后精神分裂症脑中减少，与GABA合成和信号传导相关的许多基因也是如此［51］。NMDA，NRG1和ERBB4下游的两个GABA表达基因的多态性与异常的GABA能中间神经元发育和迁移相关，并且在小鼠出生后发育期间皮质GABA能中间神经元亚群中NMDA受体的NR1亚基的消除导致许多行为和精神分裂症相关的分子表型［52，53］。最显著的变化是小白蛋白（PVALB）阳性中间神经元数量的减少和PVALB m RNA表达的降低［54，55］。小球蛋白神经元被认为对精神分裂症的发病至关重要，因为它们与NMDA信号传导的调节密切相关。(https://www.daowen.com)
精神分裂症发病机制的另外一个重要方面是神经发育过程。尽管在儿童时期可能会出现一些症状，如社交能力下降，但精神分裂症的发病通常直到青春期后期或成年期才会发生。虽然神经发生和大量树突连接是出生后早期的特征，但青春期的特征在于NMDA依赖性突触修剪和前额叶皮质中GABA-谷氨酸电路的最终成熟［56］。精神分裂症被认为有70%～80%可遗传，但同卵双生的风险仅为50%，这表明环境因素可能与遗传风险因素一样重要［57］。我们认为环境对精神分裂症发展和进程的作用是由表观遗传因素介导的，包括DNA启动子甲基化／羟甲基化、组蛋白表达和翻译后修饰，以及这些因子与其他环境响应分子之间的相互作用，如miRNA和其他非编码RNA。
精神分裂症是一种严重的精神疾病，影响着全世界约1%的人口［58］，对患者和社会产生了重大影响。精神分裂症的遗传学研究已经确定了数个候选风险基因或基因组区域，流行病学研究也揭示了导致精神分裂症发生的几种环境风险因素。然而，精神分裂症的病因仍然很大程度上未知。根据表观遗传机制的解释，DNA甲基化和组蛋白修饰可以解释分子水平上遗传和环境因素之间的相互作用。同时，越来越多的证据表明表观遗传改变涉及精神分裂症的病理生理学过程。
在这里，笔者回顾了近年来关于精神分裂症的表观遗传学研究，强调了表征表观基因组变异的潜在复杂和动态模式的最新进展和挑战。这些研究有望促进我们对精神分裂症病因的理解，同时促进新治疗药物的研发。
在一定程度上，精神分裂症属于遗传性疾病。在家庭、双胞胎和寄养的情况上的研究证明了这一点［59］。流行病学调查显示，当父母双方患有精神分裂症时，孩子患精神分裂症的风险估计高达46%。同卵双胞胎患精神分裂症的一致率为48%，并且总是高于异卵双胞胎［59］。并非所有的同卵双胞胎患精神分裂症都相同，这表明也受环境因素影响。例如，胎儿期间的病毒感染是公认的精神分裂症的高危因素［60］。出生时，父母年龄大［61］，胎儿期和出生后营养减少［62］，围产期异常［63］，社会压力［64］和其他 因 素［65－68］也 被报告为风险因素。那些对精神分裂症具有高遗传风险的人被认为更容易受到环境因素的影响，这种现象被称为“基因环境相互作用”（G×E）。例如，有精神病家族史的人如果在胎儿期经历过病毒感染则更容易患精神分裂症［69］。
已有研究证实，表观遗传过程是调节大脑中的关键神经的认知过程。通过与MECP2（甲基CpG结合蛋白2）基因突变和神经发育缺陷相关的例子来说明表观遗传机制在“正常”大脑发育和功能中的重要性是很恰当的，如MECP2基因表达产物与甲基化CpGs相互作用以此来调控神经元基因表达［70］。一些与精神分裂症相关的流行病学、临床和分子特征研究揭示了表观遗传学对精神分裂症病因学的贡献［71］。例如，尽管同卵双生（MZ）共享相同的DNA序列，其精神分裂症发病的一致率一直估计＜65%，这可能反映了环境或随机介导的表观遗传变异参与其中［72］。导致精神分裂症的最复杂的环境风险发生在发育早期的关键时期，这个时期细胞快速复制，表观基因组特别不稳定，容易受到外部因素和正在建立的驱动发育和组织分化的标准表观遗传信号的影响［73］。例如，流行病学研究证实，产前暴露于饥荒与精神分裂和DNA甲基化的改变存在很大的关联性。这表明表观遗传途径可能介导产前环境与神经精神疾病发展之间的联系［74］。遗传研究结果也证实了表观遗传机制在精神分裂症发生中的潜在作用。GWAS也证实了核心组蛋白基因簇中的变异与精神分裂相关［75］。目前许多关于精神分裂治疗的处方与表观基因组学变化有关，这也进一步暗示表观遗传在精神疾病病因学中的作用［76］。