抑郁的分子遗传学研究及基因与环境的交互作用

王红梅，宫建刚

(山东省泰安第二中学，山东泰安 271000)

1 抑郁的遗传流行病学研究

重度抑郁症(MDD，major depressive disorder)也就是常说的抑郁是一种常见的心境障碍，它严重影响到人们的生活和工作的各个方面，而且长期严重的抑郁会导致自杀的发生.预计到2020年，抑郁症将在全世界范围内成为导致劳动能力丧失的第二大疾病［1］.流行病学的研究表明，人群中重度抑郁患者的比例约为10%，且女性中的比例高于男性［2］.

导致抑郁症发生的因素是多方面的，主要有遗传和环境两个方面.抑郁症的家庭研究表明，抑郁症病人的一级亲属的发病率是普通人群的2～3倍［2］，但仅此不足以说明遗传的影响力，因为家庭的共患率同样包含了环境的因素.而双生子的研究能更有力地支持遗传因素的作用.Kendler的一项包含15000对双生子的研究表明，抑郁症易感性的估计遗传力女性是42%，男性是29%，全体是37%，说明抑郁症是部分遗传的［3］.另一方面，大量的研究表明，个体经历的压力生活事件或者生命早期遭受的忽视和虐待与抑郁的发生有很强的相关［4－5］.近年来，对抗抑郁药物的药理研究以及对抑郁患者的脑成像和脑解剖的研究表明，抑郁的发生与脑内神经递质系统和神经内分泌系统的紊乱以及海马、边缘系统等脑区的功能减弱有关.

2 抑郁的分子遗传学研究

2.1 抑郁的单胺类途径

抑郁发生的单胺类假说源于抗抑郁药物的服用使两种重要的单胺类神经递质－五羟色胺和去甲肾上腺素在脑内神经元细胞外的浓度增加，由此假设抑郁的发生是由于在分布着特定受体的脑区单胺类分子的缺乏造成的［6］.

5－HT是在胚胎发育过程中就在中缝核神经元产生的，通过轴突转运到大脑的丘脑、边缘皮层、下丘脑、海马、杏仁核等脑区，与分布于各脑区的不同的受体结合，作用于下游的信号传导和相关基因的表达.位于突触间隙的5－HT能被前突触神经元表面的5－HT转运蛋白(5－HT Transporter，5－HTT)转运回前突触神经元用于进一步的传递.大量的研究表明，5－HT系统的失衡与抑郁和焦虑的发生密切相关.检查抑郁症患者的脑脊液(CSF)中的5－HT的代谢物(5－HIAA)的含量，发现较正常人低.SSRI是一类广泛使用的有效的抗抑郁药物，其药理是通过作用于突触前神经元的5－HT转运体(5－HT transporter，5－HTT)选择性阻断5－HT的重摄取(re－uptake)，使突触间隙、受体附近的5－HT的浓度提高，从而使人的抑郁症状得到缓解.已发现的5－HT受体有14种，在人类的特定的发育阶段和特定的脑区表达并行使功能［7－8］.在小鼠实验中，5－HT1AR基因敲除的小鼠表现出焦虑样行为增加［8］，而5－HT2AR基因敲除的小鼠则表现出低焦虑［9］，表明不同受体的作用可能是不同的.为了研究受体怎样行使功能，Svenningsson等人利用酵母双杂交技术发现了一个与5－HT1BR相互作用的蛋白质p11，p11能够使5－HT1BR更多地定位于突触神经细胞的表面.进一步的研究表明，抑郁的人和小鼠的脑中p11蛋白水平较低，而施用抗抑郁药物的小鼠脑中的p11蛋白水平增加，表明p11蛋白的水平与抑郁的发生和抗抑郁药物的作用相关.p11基因敲除小鼠表现出抑郁样的表型，而且对5－HT1BR激动剂和抗抑郁药物的反应性降低;如果过表达p11蛋白能产生抗抑郁药物的效果，使抑郁症状减轻［10］.5－HTT基因敲除的小鼠表现出焦虑和抑郁样的行为［11］.在人类的相关性研究中，Caspi等的研究发现位于5－HTT基因启动子调控区域的一段DNA序列的多态性与压力情境下抑郁的发生相关.

另一类单胺类分子多巴胺分子的信号途径也发现与抑郁的发生有关.位于中脑边缘系统的多巴胺系统与大脑的奖赏机制有关，该系统的紊乱也会导致某些抑郁症状的出现，所以也被认为是参与抑郁的发生.多巴胺通过与多巴胺受体结合作用于下游的信号途径，在已发现的五个受体中(D1，D2，D3，D4，D5)，D2受体(DRD2)研究的最多.Park等发现了与DRD2直接相互作用的一个蛋白分子Par－4，Par－4是与神经细胞的死亡相关的分子.破坏了Par－4和DRD2相互作用的突变小鼠表现出抑郁样的表型，说明多巴胺信号途径的减弱也与抑郁的发生有关［12］.

2.2 HPA系统与抑郁的发生

应激被认为是导致抑郁发生的环境因素，当应激发生时，大脑会做出相应的应激反应来保护生物体免受伤害，包括促肾上腺激素释放激素和垂体后叶加压素的释放，HPA轴的激活，ACTH的释放，到最后的肾上腺皮质甾类激素的浓度的升高.皮质甾类激素有两类受体:盐皮质激素受体和糖皮质激素受体，MR的亲和性要比GR大的多，二者共同分布于大脑的边缘系统和其他脑区［13］.这两个受体可以自身作为转录因子调控基因的表达，也可以与其他的转录因子相互作用调控基因的表达.二者的功能并不相同，MR主要负责保持应激反应的神经回路的兴奋性，而GR对感知信息的评估和恢复体内平衡以及信息的储存有重要作用［14］.但是如果大脑不能对应激做出合适的反应，就会导致抑郁和焦虑的发生.也就是说，抑郁和焦虑的发生是与HPA系统失调，大脑不能做出适当的应激反应有关.HPA系统相关基因突变的小鼠模型研究了HPA系统的各个基因敲除或过量表达后产生的不同的表型和内分泌生理变化(CRH knockout，CRH over－expression，CRHR1 knockout，Conditional CRHR1 knockout，CRHR2 knockout，CRHR1/CRHR2 double knockout，GR anti－sense，GR knockout，Conditional GR knockout，GR Conditional over－expression，GR over－expression)，但是有的表型不明显，有的表型不统一，可能由于单个基因的效应有限，或者基因之间存在相互作用，所以分析基因的作用时一定要小心［15］.

2.3 神经营养因子和抑郁的发生

大量研究表明神经营养因子与抑郁的发生有关，研究最多的是脑源性神经营养因子.应激使边缘系统BDNF的表达降低，而抗抑郁治疗能够增加BDNF的表达.而且，对抑郁症自杀患者的尸体的海马检验发现BDNF表达较低，曾服用了抗抑郁药物的患者的BDNF表达水平比未曾服用的要高［16］.在小鼠实验中，局部注入BDNF到特定脑区能够产生类似服用了抗抑郁药物的行为模型，但是在BDNF全突变和条件性突变的小鼠表现出的表型并不一致(并不都是抑郁的表型)［17］，这可能是由于BDNF基因突变的影响需要一段时间才能显现出来，也可能需要其他基因或是环境的作用才能显现出来.BDNF和5－HT双突变的小鼠的HPA活性明显增强并表现出焦虑增加［18］，此研究表明BDNF和5－HT系统存在相互作用，都与抑郁的发生有关.BDNF分子的val66met多态性影响了BDNF的分泌，进而影响海马的功能和人类的记忆，在小鼠实验中，应激情境下BDNF－met/met的小鼠表现出焦虑行为增加［19］.人类关于BDNF－val66met多态性与抑郁和焦虑的相关分析的研究还未得到一致的结果，Kaufman研究了BDNF－val66met和5HTTLPR－s/l以及环境因素和抑郁的关系发现，被虐待的儿童如果同时携有BDNF－met66met和5HTTLPR－s/s基因型最容易抑郁［20］，说明抑郁的发生是多基因和环境共同作用的产物.此外，也有研究表明，其他的神经营养因子和神经生长因子、成纤维细胞生长因子也与抑郁的发生有关.

3 基因－环境的交互作用

3.1 基因影响个体对环境因素的易感性

应激性生活事件被认为是导致抑郁发生的环境因素［21］，但是为什么不同的人对应激性生活事件的反应不同呢?有的人能够承受巨大的压力，而有的人即使很小的压力也会被击垮.Caspi等人的研究回答了这一问题.他们的研究表明，5－HTT基因在压力事件诱发抑郁发生的过程中起到调制的作用.在人群中，5－HTT基因的启动子的调节区域有两类基因型，短的等位基因由于缺失了44bp的碱基，使5－HTT基因的表达活性降低，从而减弱了5－HT的重摄取，使5－HT系统的功能减弱.个体在经历应激性生活事件后，携有短的等位基因的个体比携有长的等位基因的个体更容易抑郁［4］.此研究表明，携有短的5－HTTLPR的个体有更高的抑郁易感性，但是只有经历了生活压力事件后才更可能发生抑郁，相反那些携有长的5－HTTLPR的个体即使经历了生活压力事件也不容易抑郁.基因对抑郁的作用是以个体暴露于生活压力事件为条件的，而经历了生活压力事件的个体是否容易抑郁取决于其基因型，抑郁的发生取决于基因和环境的交互作用.Kendler等的研究也发现，当个体在遇到中等程度的压力时，携带有短的5－HTT等位基因的个体比携带有长的等位基因的个体更容易抑郁，二者之间差异显著，但在面临非常严重的压力事件时，不同基因型的个体之间的表现差异不显著［22］.而Eley等对基因和环境的相互作用对青少年抑郁发生的影响的研究中发现，5－HTT基因与家庭环境压力的相互作用只对女性青少年的抑郁发生有显著影响［23］.

基因和环境的相互作用一方面是指基因型赋予个体对环境因素的敏感性或者易感性，易感性高的个体当遇到环境中的风险因素时更容易引发疾病或心境障碍如抑郁、焦虑等.另一方面，环境也能够影响基因的表达，比如当我们应对应激时，我们的大脑和身体会合成大量的神经递质和激素使我们能够做出反应，神经递质及激素的合成过程就需要相关的基因的表达.

3.2 环境影响基因的表达

早期环境对儿童的正常的发育和发展至关重要，特别是母亲和儿童之间的互动对儿童早期的脑神经系统的发育及情绪、认知的发展都有重要影响.Meaney等关于大鼠的母亲照料模型的研究给我们揭示了其中可能的分子机制［24］.我们知道，生物体对应激的反应是通过HPA系统的调节介导的，应激信号刺激神经系统释放CRF，CRF和CRF受体作用刺激前部垂体释放促肾上腺皮质激素(ACTH)，ACTH刺激肾上腺糖皮质激素的合成和释放，糖皮质激素通过与其受体(GR)结合负反馈调节CRF的合成和释放，因而降低了HPA对应激的反应，使人体得到恢复.如果糖皮质激素与其受体作用所起的负反馈调节作用减弱或者降低，就会导致CRF浓度增加，HPA对应激反应活性增强，如果持续的时间过长就很容易导致抑郁或焦虑的发生［13］.Meaney等的研究表明，在出生后的第一周经历了更多母鼠照料的成年鼠表现出中等的HPA对应激的反应，而经历了较少母鼠照料的成年鼠则表现出更高的HPA对应激的反应［24］.体内和体外的研究表明母鼠照料使海马的糖皮质激素受体表达增加，负反馈调节增加.GR的表达是通过一个转录因子–神经生长因子诱导蛋白A与GR的外显子7启动子区序列的结合及相互作用来调控的，外显子7启动子区含有NGFI－A的结合序列(5’CG GGGG CG3’).Weaver等对GR外显子7启动子区的NGFI－A的结合序列(5’CG GGGG CG3’)的甲基化状态进行检测，发现经历了较少母鼠照料的成年鼠的5’CpG甲基化程度要高于经历了更多母鼠照料的成年鼠，而且交叉饲养能够改变5’CpG甲基化程度，表明母鼠的照料方式直接与GR外显子7启动子区的5’CpG甲基化程度有关.高甲基化的启动子区抑制转录因子NGFI－A的结合使GR的表达降低.进一步的研究表明，在小鼠出生之前(胚胎期20天，E20)，GR启动子区都是未甲基化的，出生后一天，启动子区开始重新甲基化，在出生后的第二天到第六天，经历更多母鼠照料的小鼠的NGFI－A结合序列的5’CpG去甲基化，呈低甲基化;而经历较少母鼠照料的小鼠没有去甲基化，呈高甲基化，而且这种因幼年母鼠照料不同而引起的基因甲基化状态的不同可以稳定保持到成年.染色质免疫沉淀的实验分析表明，经历更多母鼠照料的小鼠有更高的组蛋白H3－K9乙酰化和更高的NGFI－A与结合序列的结合［25］.综上所述，P1－P6之间更多的母鼠照料使GR启动子区甲基化程度降低，组蛋白H3－K9乙酰化，染色体结构改变，使NGFI－A与GR启动子区的结合和相互作用增强，GR的表达增强，HPA的负反馈活性提高，最终使HPA对应激的反应适中;相反地，较少的母鼠照料则会导致HPA对应激的反应太高，导致抑郁或焦虑的发生.那么，幼年不幸的经历打下的“烙印”能够改变吗?

Weaver等的进一步的研究表明，向经历较少母鼠照料的成年鼠的脑中注入一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂–TSA，使组蛋白H3－K9乙酰化提高，NGFI－A与启动子序列的结合增强，GR启动子区甲基化降低，GR的表达增强，使HPA对应激的反应适中，逆转了P1－P6母鼠较少的照料对小鼠的影响［26］.Weaver等则向经历更多母鼠照料的成年鼠脑中注入蛋氨酸(l－methionine)－一种甲基化的供体，结果提高了GR启动子区甲基化，使NGFI－A的结合和相互作用降低，GR表达降低，HPA对应激的反应增强，逆转了P1－P6母鼠更多的照料对小鼠的影响［27］.

以上的机制并不仅仅限于GR的表达调控，很有可能是一种环境作用于基因表达的普遍机制.例如，Nestler的研究表明，应激能够诱导BDNF的表达降低，同时伴随着组蛋白甲基化的增加，长期的抗抑郁药物能够增加BDNF的表达，同时伴随着组蛋白乙酰化的提高和组蛋白去乙酰化酶表达的降低，说明染色体结构的变化可能是介导应激、基因表达和抑郁的分子机制［16］.

4 抑郁的脑成像研究

Castren认为抑郁发生的原因在于大脑神经网络信息加工出现了问题，而抗抑郁药物能够使问题得到修复而缓解或治愈抑郁.该理论认为，环境和基因能够影响神经元的结构和神经元之间的连接，从而影响神经网络的信息加工储存［6］.大量研究表明，5－HT能够影响大脑早期的神经发育如细胞分裂分化、神经元迁移、突触形成、神经发生等［7］.研究发现，只有在出生后的早期发育阶段5－HT1AR基因敲除的小鼠产生焦虑样的行为表型，成年小鼠基因敲除则没有焦虑样的行为表型［8］.降低生命发育早期的小鼠的5－HTT的量能够在长大的成年鼠中产生不正常的情绪行为［28］.以上研究表明，生命早期发育阶段5－HT系统的紊乱使脑神经系统的发育受影响，使调节情绪反应的神经回路易于受环境应激的影响而产生抑郁和焦虑.脑成像的研究表明，抑郁症患者灰质、前额叶皮层和海马的体积减少.而在啮齿类动物的研究中发现，抗抑郁药物能够使啮齿类动物海马中的新神经元数目增加，与人类抑郁治疗中需要一段时间对应，增加的神经发生是由长期持续的抗抑郁药物的施用引起的，新产生的神经元只有分化成熟后才能参与信息加工.更进一步的研究表明，抗抑郁药物能够提高轴突和树突的发芽，使新神经元成熟，促进突触形成使神经元连接增加.所以，抑郁的发生可能与大脑相关神经回路的发育异常有关.

人类的脑成像技术给我们提供了一些线索，Hariri的研究表明，当给被试呈现害怕性的刺激时，携有一个或两个拷贝的短的5－HTTLPR(5－HTT－Linked Polymorphism Region)基因型的个体有更高的杏仁核神经活性［29］.因为5－HTTLPR－s/s基因型被认为与抑郁的发生相关，而抑郁症患者的大脑的体积减少，前部扣带回和杏仁核神经回路异常，所以Pezawas等人想知道是否是5－HTTLPR－s/s基因型影响了大脑体积的减少和相关神经回路的异常而导致了抑郁的发生.他们利用结构性核磁共振成像和功能性核磁共振成像检测了携有5－HTTLPR－s/s基因型的健康个体的大脑体积和对害怕性刺激的反应时大脑中特定回路的功能性的联合.结果表明，携有5－HTTLPR－s/s基因型的健康个体的大脑结构和功能的变化与抑郁病人相似，灰质体积减少，前部扣带和杏仁核之间的功能性联合减弱［30］，这种基因型影响的神经回路的变化赋予了个体更高的易感性，在遇到压力生活事件时更容易抑郁.

以上的研究表明，基因和环境的相互作用是通过影响大脑的调控情绪的特定的神经回路而影响抑郁发生的.脑成像技术给我们提供了一种可以研究基因或是环境对大脑的特定脑区和特定神经回路的结构和功能的影响的方法.

5 总结和展望

抑郁的发生受遗传和环境相互作用的影响，遗传因素本身就能够影响基因的表达的不同，进而影响了大脑神经回路的功能，从而通过影响人的认知、情绪加工等赋予个体对环境应激的不同的敏感性;环境因素如生命早期的忽视、虐待以及与父母的互动，生活中遇到的创伤或者应激事件等也有可能会通过表观遗传学的机制影响基因的表达，进而影响抑郁的发生.虽然，分子遗传学和表观遗传学以及人类的相关性的研究给我们提供了一些线索，但是抑郁发生的分子机制和神经生物学基础还远未揭示.

随着人类基因组测序的完成，人类基因组单体型计划［31］和表观基因组计划［32］的实施，以及小鼠的抑郁模型的发展［33］和大脑成像技术的发展，人们现在可以从基因变异、表观遗传学、动物行为模型和分子遗传学以及大脑影像学等不同的方面揭示抑郁发生的机理，为治疗抑郁提供理论基础.

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