双生子研究方法在精神障碍研究中的应用与进展

王雪雯，傅一笑，唐金香，彭亚东，刘 莹

(重庆医科大学附属第一医院心理卫生中心，重庆 400016

精神障碍发病率高、难治愈，已成为当代社会重大的公共卫生问题。研究显示[1-2]，精神障碍的发病与遗传、环境等因素相关，但其关键的作用机制至今尚未阐明。双生子研究方法因其特殊的遗传设计被广泛用于研究遗传和环境对人类行为的影响，对生物医学、精神病学和行为学的研究有所启示[3-4]。双生子作为特殊人群，具有天然对照的优势，可以进行匹配的队列研究，从而控制年龄、性别、遗传、环境等混杂因素，是复杂疾病的病因研究的良好资源。近五十年来，研究者利用双生子资源对超过17 000种性状进行了遗传度的计算[5]。此外，双生子结合表观遗传学研究、新兴多组学关联研究，对了解包括精神障碍在内的复杂疾病的生物学通路有特殊的价值[4]。目前许多国家已建立双生子数据库，便于对精神疾病或其他受遗传和环境因素影响的疾病进行定量定性效应分析。本文通过对国内外双生子研究方法及其在精神障碍中的进展进行综述，旨在进一步揭示精神障碍的发病机制，为精神障碍的临床研究和诊疗提供参考。

1 双生子的概念

双生子一般分为同卵双生子(monozygotic twin，MZ)和异卵双生子(dizygotic twin，DZ)。MZ拥有相同的遗传特性及表型特征；DZ来自两个不同胚胎，他们的遗传及表型特征仅有某些相似之处。双生子的科学研究最早是由Galton[6]提出，随后Poll[7]和Siemens[8]分别于1915年和1924年发表了关于MZ和DZ之间不同相似程度的研究。为进一步开展双生子研究，美国、英国等开始建立双生子登记制度，收集双生子从出生到死亡的纵向数据，为精神病学、行为学和基础生物学的研究提供了宝贵的数据资源，也促进了双生子研究的发展[4]。

2 双生子研究的优势及用途

双生子研究可用于调查一个群体复杂性状变异的原因，也可以在控制遗传效应的同时区分环境的影响以及其他混杂因素[9-11]。双生子研究设计是最常用的量化先天遗传影响和后天环境效应的方法之一，对全基因组关联和连锁研究的数量及性状分析也较有优势[12]。MZ拥有100%相同的遗传背景，而DZ只有50%类似的遗传物质，因此，MZ之间的所有表型差异被认为是由双生子之间非共享环境的差异所致，DZ之间的差异则被认为是由遗传和非共享环境的差异共同导致[11]。所以，同卵双生子研究可以鉴定容易诱发的精神分裂症等复杂疾病的突变机制和特异性基因及途径[13]。在全基因组时代，通过研究MZ的DNA中表型性状的变异，探索某些基因型是否对该性状带来风险、是否对变异有贡献[4]。同卵双生子研究的优势在于尽管基因结构很难改变，但可以通过改变基因表达来防控疾病的发展[14]。DZ由于拥有50%的相同DNA，结合共享环境的差异，为研究基因与环境的相互作用提供了新途径[15]。

MZ在生命的早期共享母体环境和生活环境，所以MZ之间在基因型、年龄、性别及共有环境因素方面是互相匹配的[16]，故同卵不同病的双生子研究对于探索与环境有关的致病因素有独特价值。对双生子进行随访研究也有助于明确精神疾病致病因素随时间变化的特点。此外，双生子研究还可用于精神分裂症、双相情感障碍等神经生物学及遗传基因层面的研究，也可用于抑郁症、自闭症等在不同年龄段发展特点以及双生子内部发展差异的研究等。

3 双生子研究在精神障碍中的应用

3.1 经典双生子研究方法

经典双生子设计是研究基因与环境对复杂性状和疾病作用的方法之一[17-19]。在经典双生子模型的假设下，如果MZ测度结果的一致性大于DZ，那么遗传因素可能是重要原因；如果MZ和DZ的一致性相似，那么双生子之间共有的环境因素更重要[15]。Rommel等[20]利用结构方程模型对多动症症状与智商的关系进行纵向双生子研究，结果显示多动症症状与智商都具有显著的遗传相关性，其中多动症的遗传度较高，智商具有中等遗传度，多动症症状可能影响青少年的智商。此外，该研究得出遗传风险具有稳定性和动态性，也验证了多动症的“发展动态”假说，即预测新的遗传效应会随着个体发育而出现，且早期遗传风险因素的影响会随时间的推移而下降。Taylor等[21]采用双生子设计对自闭症与感觉反应之间的相关性进行研究，结果表明自闭症与感觉反应都具有高度遗传性，自闭症特征与感觉反应之间存在中度表型相关性，且他们之间共同的遗传因素可以解释二者的相关。Gjerde等[22]在关于回避型人格障碍与强迫症人格障碍特征的遗传与环境稳定性研究中，也得出相似的结论。此外，经典双生子方法也可用于研究遗传和环境在代际之间的影响，McAdams等[23]通过纵向研究探讨父母的抑郁症状是否存在影响儿童情绪及行为问题的遗传因素，结果表明二者存在表型相关遗传。

基因与环境的交互作用是指某些基因型相对另外的基因型对环境改变的敏感度更高。在许多情况下，遗传和环境影响对个体的影响不是独立作用的，但在不同的疾病中，遗传因素对发病的影响程度不同[4]，因此，在经典双生子研究的基础上出现了多变量多因素设计分析，从定性和定量的角度探索心理疾病是否存在相同的遗传或环境基础，同时也可观察变量之间的因果关系[14]。Watson等[24]将经典双生子设计扩展为双变量双模型，研究睡眠时间与遗传因素对抑郁症状的影响及其相互作用。结果显示遗传因素对抑郁症状的影响受习惯性睡眠时间的调节，同时，随着睡眠时间从极端值(<5h或>10h)向正常范围(8h)变化，非共享环境与抑郁症状的相关性增强，从而得出睡眠时间和抑郁症状之间存在基因与环境相互作用的结果。

3.2 同卵不同病的双生子研究方法

3.2.1表观遗传与同卵不同病双生子研究

表观遗传学可以揭示疾病潜在的生物学机制，同卵双生子研究可以通过控制许多混杂因素来研究表观遗传因素对疾病的影响。Castillo-Fernandez等[25]研究显示，许多精神障碍在MZ中的发病率不一致，如精神分裂症、自闭症等。Castellani等[26-27]也报道了MZ之间的甲基化模式不同，表观遗传差异可能是MZ之间发病不一致的原因之一。虽然MZ起源于一个卵子，但有证据表明，它们的体细胞在DNA序列水平上并不总是相同[4]，Castellani等[13]研究也曾得出相似的结论。全基因组序列允许鉴定包括精神分裂症在内的复杂疾病的突变机制和特异性基因[13]。Córdova-Palomera等[28]将全基因组甲基化测序技术应用于MZ发病不一致的研究，旨在鉴定抑郁症中存在差异的甲基化区域。Fisher等[16]对患自闭症不一致的MZ进行全基因组DNA甲基化分析，结果显示受疾病影响和未受影响的双生子存在许多与精神疾病有关的DNA甲基化差异。Melka等[29]对患有精神分裂症的MZ进行全基因组DNA甲基化阵列测序，结果显示DNA甲基化改变了所鉴定的基因启动子，并推测受甲基化影响的独特途径可能是致病原因。Kazuno等[30]对患双相情感障碍不一致的MZ进行蛋白质组学分析，结果显示大约200个蛋白质点在患病和未患病的双生子之间的表达存在差异，PGAM1被认为是双相情感障碍生物标记物的候选物之一。

3.2.2基因突变与同卵不同病双生子研究

精神障碍存在很多遗传危险因素，对精神障碍发病不一致的MZ进行研究，有助于探明相关致病基因的突变[31-32]。Castellani等[13]假设：MZ精神分裂症发病不一致可能是MZ基因中包括拷贝数变异(copy number variants，CNVs)等体细胞的罕见突变所致。Tang等[32]对8对精神分裂症发病不一致的MZ进行家系分析，评估他们之间共享和非共享的新生突变，结果显示包括遗传变异在内的多种遗传因素，都可能增加其家族患精神分裂症的风险。Nishioka等[33]对同卵不同病的双生子进行全外周测序的研究显示，体细胞变异可能对精神疾病的发展有重要影响。李海欣等[34]通过对孤独症谱系障碍发病不一致的MZ进行研究，得出了NPR1基因变异的甲基化状态可能与孤独症谱系障碍存在关联的结果。

3.2.3环境和随机因素与同卵不同病双生子研究

Petronis[35]提出假设：母体环境也会导致MZ的发病不一致。多胎妊娠的高风险性、并发症倾向以及对母体资源的争夺，增加了妊娠环境失衡的可能性，妊娠期间细胞交换的不平等也会导致母体微嵌合体的不一致。显然，环境因素和随机因素已经出现在子宫环境内并持续存在于整个生命周期。此外，出生后任何非共享环境的暴露都会导致MZ之间的表观差异。精神分裂症和双相情感障碍作为常见的精神疾病，其发病的遗传力估计可达70%，但MZ之间的发病一致性远远低于100%，表明非遗传因素对精神分裂症和双相情感障碍的发病有重要影响[36]。也有研究显示，随机事件也是双生子间同卵不同病的潜在因素，但由于对其机制原因尚未完全了解，很难将它们与环境效应和基因-环境相互作用分开[37]。

4 总结与展望

双生子研究在探讨遗传和环境等因素对疾病的影响具有优势。最初的经典双生子研究即利用同卵和异卵双生子研究探讨遗传与环境的影响[15]。随着研究的深入，也可利用同卵双生子设计追踪导致某些精神障碍的致病突变基因及表型影响。在研究精神障碍的发病机制方面，采用双生子设计，可专注于研究遗传或环境中特有的某一因素，为精神障碍的治疗提供更精准的途径。MZ之间有着相当大的表观基因组差异，表观遗传变异可能导致遗传上相同的个体之间表型不一致，因此，研究MZ之间的表观遗传差异有助于深入探究精神障碍的发病机制，为患者提供更具个性化的治疗方案。