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了沉重的疾病負擔(dān)。MDD被認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獨立因素,而統(tǒng)計學(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)機制通過不涉及基因組DNA序列突變的基因調(diào)控機制(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?DNA甲基化可被環(huán)境因素動態(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制正得到越來越多研究者的重視。

神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的急速進展使得研究抑郁癥的特異性癥狀對應(yīng)的大腦的結(jié)構(gòu)、連接和功能的獨特改變成為可能,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)境因素動態(tài)調(diào)控神經(jīng)元活性、神經(jīng)可塑性等生理過程中發(fā)揮重要作用[4]。近年來,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)境交互作用對腦功能影響的生物學(xué)機制提供了新視野。這意味著不再將基因和環(huán)境視為兩個獨立因素,環(huán)境因素通過改變DNA甲基化而影響特定基因表達水平,從而參與了對個體神經(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)運體基因SLC6A4、腦源性神經(jīng)營養(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、神經(jīng)再生與可塑性假說和下丘腦-垂體-腎上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)軸失衡假說相關(guān)的基因,本文綜述了這3個假說相關(guān)的研究證據(jù),為該領(lǐng)域的進一步研究提供參考。

2 5-HT遞質(zhì)假說

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)運體編碼基因SLC6A4也被證實與抑郁癥、早年負性應(yīng)激有關(guān)。一項結(jié)構(gòu)磁共振研究發(fā)現(xiàn)在包括抑郁癥和對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數(shù)(fractional anisotropy,FA)和軸向彌散(axial diffusivity,AD)顯著負相關(guān)[7]。抑郁癥患者和健康對照的默認模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)功能連接與SLC6A4啟動子區(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啟動子區(qū)DNA甲基化顯著負相關(guān),而在健康對照則呈正相關(guān)[8]。Frodl等[9]發(fā)現(xiàn)SLC6A4啟動子區(qū)DNA甲基化與負性情緒相關(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啟動子區(qū)DNA甲基化水平和功能磁共振測量的恐懼相關(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,較低的社會經(jīng)濟狀況與之后的SLC4A4高甲基化水平相關(guān),可增強負性情緒相關(guān)海馬活性,繼而預(yù)測之后的抑郁癥狀嚴重程度[12]。這一關(guān)鍵性研究首次揭示了環(huán)境因素致病過程中的影像表觀遺傳學(xué)機制。

3 神經(jīng)再生與可塑性假說

神經(jīng)再生與可塑性是抑郁癥發(fā)病及抗抑郁治療過程中的關(guān)鍵性機制。BDNF是神經(jīng)營養(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)病機制中起關(guān)鍵性作用[13]。韓國一個研究組發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者BDNF啟動子區(qū)1個CpG位點甲基化水平與前放射冠(anterior corona radiata,ACR)的FA和AD呈負相關(guān)[14];同一研究組的另一項研究發(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甲基化負相關(guān)[15]。鈣素(tescalcin,TESC)基因可調(diào)控神經(jīng)元增殖、分化,兩項全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association study,GWAS)分別獨立發(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];進一步研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者rs7294919周邊的1個CpG位點DNA甲基化與海馬旁扣帶FA呈負相關(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啟動子區(qū)DNA高甲基化水平可預(yù)測右側(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[20]。

4 HPA軸功能失衡假說

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)對環(huán)境應(yīng)激的主要效應(yīng)因子,它可以通過神經(jīng)可塑性改變影響情感環(huán)路[21]?；谌蚪MDNA甲基化數(shù)據(jù)計算得到的DNA甲基化年齡被證實在青少年日間皮質(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CpG位點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CpG位點(CpG6和CpG7)。在MDD及健康對照中,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)功能連接負相關(guān)、與默認模式網(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激活呈負相關(guān)[24]、與DMN連接呈負相關(guān)[8];在FKBP5基因的rs1360780d多態(tài)性的C純合個體中,內(nèi)含子7上的CpG6位點甲基化水平與右側(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問題: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)計探討了DNA甲基化改變與腦影像異常的關(guān)聯(lián),僅有1項研究通過縱向設(shè)計,應(yīng)用中介效應(yīng)分析方法驗證了高遺傳風(fēng)險個體的“環(huán)境因素DNA甲基化腦影像改變抑郁癥狀”的路徑機制[12]?？v向隨訪設(shè)計有助于進一步從時間相關(guān)性探索DNA甲基化和神經(jīng)影像改變的因果關(guān)系[26]。這能夠為深入揭示抑郁癥神經(jīng)環(huán)路異常相關(guān)DNA甲基化機制提供可能。

其次是候選基因的選擇問題,絕大部分研究應(yīng)用候選基因策略研究了抑郁癥三個經(jīng)典假說通路上的關(guān)鍵性基因。作為抑郁癥的重要致病假說之一的炎癥機制在近年來得到越來越多的重視。目前,僅1項研究使用全基因組甲基化測序方法計算甲基化年齡[22]。在未來研究中應(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)系值得在將來的研究中進一步探索。

DNA樣本來源的選擇,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]。頰粘膜是唾液中細胞的主要類型,從胚胎發(fā)育角度,頰粘膜細胞和腦組織共同起源于外胚層胚葉[31]。所以,頰粘膜細胞和唾液的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制帶來了理論和方法學(xué)的革新。DNA樣本的來源選擇、EWAS的研究策略和縱向研究設(shè)計在未來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。