精神分裂症表观遗传学研究进展



精神分裂症表观遗传学研究进展

赵婧1，邢洪源1，刘纯岩2，张萱2，王珍琦1*

((1．吉林大学公共卫生学院卫生部放射生物学重点实验室，吉林 长春130021；2.吉林大学第二医院，吉林 长春130041)

精神分裂症是以基本个性改变、思维、情感、行为的分裂、精神活动与环境的不协调为主要特征的一类最常见的精神疾病。精神分裂症的发病机理主要是脑内递质出现异常，导致脑内存在病变，而遗传因素和环境因素在精神分裂症的发病过程中均起到重要作用，可能是两者相互作用共同导致精神分裂症的发作。环境因素主要是通过基因突变和表观遗传学改变来实现两者交互作用。基因型完全相同的单卵双生子，同时患有通神分裂症的几率只有50%[1]，说明并不是只有基因的变化导致疾病，表观遗传学解释了在不改变基因型的情况下环境如何致病。表观遗传学的机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNA、染色质重塑、基因组印记、X染色体失活等。本文将从与精神分裂症相系密切的的DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA几个方面进行综述。

1DNA甲基化与精神分裂症

1.1　DNA甲基化机制

DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶(DNMTs)的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶 5' 碳位共价键结合一个甲基基团，被修饰成5甲基胞嘧啶(5mC)，5mC大部分存在于CpG二联核苷，CpG串联排列，形成CpG岛。CpG岛常常在基因的启动子区域富集，CpG岛甲基化使基因沉默，用于调节基因的表达。目前已有许多相关基因的甲基化显示与精神分裂症有密切联系，以下是相关基因的致病机理。

1.2　DNA甲基转移酶(DNMTs)

体内DNA最直接的甲基化过程主要依靠DNA甲基转移酶(DNMTs)，DNA甲基转移酶共包括DNMT1、DNMT2和DNMT3，DNMT1是其中维持甲基化最主要的酶，DNMT1通过锌指结构与相关基因中富含未甲基化的CpG启动子区域相连接从而甲基化相关基因的启动子，降低基因表达程度，这可能是GABA能和谷氨酸能神经元相关递质基因表达下调的潜在机制[2]。

尸检中发现精神分裂症和双相情感障碍患者前额皮质和海马中的GAD1，RELN，BDNF表达降低是与DNMT1过表达密切相关的[3]。DNMT3包括DNMT3a 和 DNMT3b，又称为重新甲基转移酶，其作用是建立新的甲基化模式，与 DNMT1 相互协作共同完成甲基化[4]。我们了解到DNA甲基转移酶不仅可以直接对DNA的启动子甲基化，也可以关联相关的高位基因共同致病。

1.3　儿茶酚胺氧位甲基转移酶(COMT)

儿茶酚胺氧位甲基转移酶(COMT)是一种单胺类递质代谢酶，是通过S-腺苷甲硫氨酸来降解儿茶酚胺类神经递质如多巴胺和去甲肾上腺素的关键酶，可以翻译成膜结合型 (MB-COMT) 和可溶型 (S-COMT) 两种亚型，致病机制依赖于多巴胺递质假说，MB-COMT主要负责大脑中多巴胺的代谢，患者脑组织中MB-COMT的启动子被甲基化，使得MB-COMT基因表达增加[5]，导致多巴胺功能失调，多巴胺递质的功能涉及到注意、记忆、执行和认知等大脑活动，当COMT的甲基化影响到多巴胺信号转导通路时，患者会出现较为明显的认知障碍，多巴胺被认为是精神分裂症阳性症状如幻觉和妄想等的主要致病原因，了解COMT在多巴胺通路中的信号传导机制,是研究精神分裂症的重要切入点[6]。

1.4　络丝蛋白(RELN)

RELN是主要聚集在7号染色体上可以编码细胞外基质蛋白Reelin蛋白的基因，RELN所编码的Reelin蛋白是由γ-氨基丁酸(GABA)能中间神经元分泌，对于神经发育、神经迁移、轴突形成和细胞信号传导来说是必不可少的，同时Reelin蛋白还参与了成年人的突触和行为可塑性的长时程效应[7,8]。在尸检结果中发现精神分裂症患者前额叶皮质RELN基因对应的 mRNA 表达下调了50%，但是在DNA序列中未能找到引起基因表达改变的突变，却发现了RELN基因启动子CpG岛呈现高度甲基化的信号，进一步研究表明过表达的DNA甲基转移酶(DNMT1)利用L-甲硫氨酸提供的甲基，将GABA能神经元分泌的RELN基因启动子区的CpG岛甲基化，从而降低了Reelin蛋白的活性[9]。所以，RELN基因启动子区域的明显甲基化可能是精神分裂发病的分子基础之一。

1.5　脑源性神经营养因子 (BDNF)

BDNF 作为神经营养因子家族中的主要成员之一，在大脑神经系统发育时期起到了关键作用， BDNF能促进多种神经元的存活和发育，与其可塑性密切相关。这为精神分裂症的神经发育障碍学说提供了重要依据。神经发育障碍理论认为在神经发育过程中，某些脑区神经元排列和迁徙的异常、神经元之间信号传导的异常，是精神分裂症的病理基础[10]。BDNF在神经元细胞中通过高亲和性受体络氨酸受体激酶B(TrkB)和低亲和性受体P75进行细胞内信号传导的级联反应，导致神经元结构和功能的改变，调节脑的功能与个体的行为[11]。而在精神分裂患者脑中， BDNF基因对应的mRNA和蛋白表达水平均降低，这与基因的转录活性密切相关，已有研究证实，组蛋白甲基化以及DNA启动子上CpG甲基化使转录活性降低，启动子甲基化是其中最主要的病理机制，BDNF基因共有9种非编码活性的启动子，甲基化主要作用在I,IV,VI三种启动子来调控转录[12]，BDNF 的动态调节过程可能是导致精神分裂症的原因之一。

1.6　5-羟色胺转运体(5-HTT)

5-羟色胺是大脑中枢神经系统中分布非常广泛的神经递质，作为信号传导的递质，5-HT具有多种生理功能，与觉醒水平、神经发展功能、成人的大脑塑造方面密不可分。5-HT在大脑中传递时需要5-羟色胺转运体(5-HTT)作为载体，5-HTT通过决定5-HT突触信号的强度和持续时间而对5-羟色胺能神经递质起到关键作用[13]。5-HTT基因的甲基化是重要的调节方式，5-HTT基因启动子区CpG岛内位点被高度甲基化，致使5-HTT的mRNA转录下降，表现出精神分裂症I型症状。精神分裂症Ⅰ型临床表现主要以幻觉妄想等阳性症状为主，与神经生化改变关系比较大，具有较高的遗传性[14]。5-HTT对于精神分裂的致病还有很多间接方面，5-HTT表达影响5-HT2A受体和脑源性神经营养因子(BNDF)水平，患者出现情绪调节障碍等症状。5-HTT甲基化后5-HT在前额皮质传递受阻，无法对大脑皮质产生适度抑制，从而使多巴胺能神经元活动亢进，也会产生阳性症状。

2组蛋白修饰与精神分裂症

组蛋白是构成染色质的重要物质，由各两分子的H2A、H2B、H3、H4这4种组蛋白与DNA缠绕包裹在一起，组成核小体，组蛋白H1为连接蛋白，组蛋白尾部的氨基酸残基可以被共价修饰，包括甲基化、乙酰化、SOMO化、磷酸化和泛素化等等。经过修饰的组蛋白就可以影响染色质的转录活性，不同的修饰可以使基因产生不同的功能性改变[15]，例如SUMO修饰与基因表达有关，赖氨酸残基乙酰化可以确定染色质区域是否存在潜在的高水平基因表达。其中组蛋白乙酰化和去乙酰化对于转录调节具有重要作用。染色质去乙酰化水平的提高抑制基因转录,乙酰化增加则增强转录活性。赖氨酸残基的组蛋白修饰可以调节启动子的活性，最多可能有单、双及三甲基化三种形式，如组蛋白H3的赖氨酸4三甲基化调控活性基因的启动子，进而调控基因转录。组蛋白残基修饰复杂性的例子包括：H3的赖氨酸9、27的甲基化和H4的赖氨酸20的甲基化。在这些组蛋白氨基酸残基单甲基化可增强转录活性，而双甲基化和三甲基化与是阻碍转录活性[16]。简而言之，组蛋白乙酰化与染色质线性解螺旋状态有关,组蛋白乙酰化诱导染色质解螺旋，处于松散状态，暴露更多基因位点，促进基因表达。反之，组蛋白去乙酰化使染色质结构更加紧密，不利于基因表达。例如在染色质复制环形成时它可以使数千万个碱基对外的增强子和其他调控序列从基因位点分离，改变空间结构，与启动子结合。这时组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferases，HATs)和去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)相互拮抗，对组蛋白进行作用完全相反的调节。HATs对组蛋白的特定赖氨酸残基进行乙酰化，HDACs则进行去乙酰化。HATs分为五种序列相似、特异性相关的家族， HDACs通常在动植物和真菌中主要有三类(Ⅰ,Ⅱ,Ⅳ)。I包括HDAC1/2/3/8，IIa包含HDAC4/5/7/9，IIb包括HDAC6/10，HDAC11是Ⅳ的典型代表。HDACs都需要Zn2+作为辅助因子，按照催化结合区锌离子位点的不同分类，这也解释了为什么许多组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACi)为非特异性的，可以作用于多种HDACs[17]。

组蛋白的乙酰化并不是单一的作用因素，组蛋白乙酰化与DNA甲基化过程密切相关，如MeCP2与甲基化的DNA结合后,可以募集组蛋白去乙酰化酶(HDACs)，诱导组蛋白去乙酰化[16]。

在收集19例精神分裂症患者死后脑组织的额叶前皮质与对照组比较发现，阳性组在额叶皮质Ⅰ类组蛋白去乙酰化酶的表达显著增加，研究人员推测部分双相情感障碍患者也有相同的改变[18]，这为组蛋白成为精神分裂症的病因提供了一个有意义的分子病理学基础。 最近研究表明，组蛋白乙酰化与记忆调控的可塑性机制有关，即组蛋白乙酰化失控可能是许多认知障碍疾病的原因。

3微小RNA(microRNA，miRNA)

随着对基因表达研究的深入，原来被认为是毫无用处的非编码RNA逐渐走进大家的视野，自从在线虫中首次发现了lin-4、let-7这两种miRNA后，microRNA的转录后调控功能慢慢为人认可[19]。MicroRNA是含有21-23个碱基的单链小分子非编码RNA，microRNA起源于内含子区域，先转录成为大约70-90nt的较大的miRNA前体pri-miRNA，此时的pri-miRNA通常具有发夹结构，并且可以运输到细胞质，被核糖核酸酶III-Dicer水解为不稳定的双链RNA，这种松散的RNA其中一条单链随后会结合到RNA又诱导基因沉默复合体(RNA-induced silencing complex，RISC)上，成为非对称RISC复合物，在单链miRNA的调控下作用于mRNA的3'-非翻译区，与特异性的靶基因相互作用，抑制基因的转录。MicroRNA在大脑神经系统的发育和调节方面作用显著，决定了神经元增殖、分化和突触可塑性。一系列的miRNA目的基因可以形成一个功能相关的表达调控网络，其中一种miRNA出现异常时都可以影响整个调控网络的表达，产生多基因紊乱的表型如精神分裂症[20]。MicroRNA的种类繁多，作用方式也多种多样，其中miR-137、hsa-miR-219a-5p等多种miRNA家族成员与精神疾病发病相关，microRNA位于启动子附近的CpG岛附近，可以产生甲基化来控制DNA甲基化转移酶(DNMTs)、甲基化CpG岛结合蛋白2(MeCP2)表达水平，也可以影响组蛋白修饰来抑制神经元成熟[21]。MicroRNA的家族还在不断壮大，其中的致病机理尚未完全明确，因此依旧需要进一步的研究探索，用以指导精神病患者的治疗。

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(收稿日期：2015-05-12)

文章编号：1007-4287(2015)07-1217-04

*通讯作者

基金项目：国家自然科学基金资助课题(30800363)；白求恩医学部青年科研基金项目