创伤后应激障碍影像遗传学的新进展与展望

夏卓漫，戚荣丰

0 引 言

创伤后应激障碍(post-traumatic stress disorder, PTSD)是个体在经历严重的威胁和灾难性事件后发生的并持续存在的一种异质性精神障碍，影响着人群中约7%的个体[1]。在2013年修订的《美国精神障碍诊断分类手册-第5版》(DSM-5)中，PTSD被归为“创伤和压力相关的疾病”，主要表现为重新体验、回避、认知和情绪的负面变化以及高警觉四种典型行为特征，严重影响患者的社会功能和生活质量[2]。

影像遗传学(imaging genetics)是指用影像学的方法来研究遗传对不同个体所产生影响的一门新兴的交叉学科。它整合了影像医学(主要是神经影像学)和遗传学，可以进一步的观察遗传变异对疾病/行为发生的中间表型的影响，揭示疾病背后的生物学机制，是研究遗传变异、大脑活动、行为和脑疾病三者关系的有效手段。影像遗传学应用于PTSD的研究多年，最初仅涉及遗传变异-影像中间表型-疾病表型三者的传递通路，随后逐渐纳入环境因素，研究基因-环境-脑-行为通路中各环节的直接或间接关联等，成为深入理解PTSD发生发展机制的重要手段，见图1。本研究主要从PTSD相关易感基因、基于全基因组关联研究(genome-wide association study，GWAS)、基于多基因风险评分(polygenic risk score, PRS)和基因-环境-脑-行为关系方面对PTSD影像遗传学进行阐述，并对未来研究方向进行展望。

图 1 应激障碍影像遗传学研究示意图

1 基于易感基因的PTSD影像遗传学研究

早期的PTSD影像遗传学研究常根据以往科学文献中报道的与PTSD和相关精神疾病发病机制相关的易感基因作为候选基因，以观察这些候选基因的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms，SNP)与患者脑区的结构功能之间的关联。使用的候选基因主要包括5-羟色胺能系统、多巴胺能系统、神经营养因子、下丘脑-垂体-肾上腺轴基因和其他神经递质系统相关基因等[3- 4]，上述基因与PTSD发病直接相关，且基因间可以通过交互作用产生累积或协同效应，共同促进PTSD的发生发展[5]。然而，候选基因方法和多基因关联的PTSD影像遗传学研究更多集中于特定候选基因，虽然这类候选基因研究报道很多，发现了大量SNPs与多个脑区的相关性，但是，相关研究结果的一致性不够高[6]。有学者提出单个易感基因的单个SNP的遗传效应是微弱的，在多基因疾病如PTSD中，单一遗传变异不足以提供评估疾病风险所需的信息。基于GWAS的PTSD影像遗传学研究应运而生。全基因组分析使得影像遗传学从假设驱动的研究(候选基因设计)转向假设生成的研究(GWAS设计)，具有里程牌的意义[1]。但不可否认，早期基于候选基因的影像遗传学在PTSD发病机制研究方面取得了很多重要进展。

2 基于GWAS的PTSD影像遗传学研究

全基因组的影像遗传学研究与早期候选基因的研究方法不同，前者不依赖先验知识，使用一种不偏倚的方法来识别与疾病相关的遗传变异，该研究涵盖了包含30亿个DNA碱基对的庞大基因组和大约20 000个可能预测疾病的蛋白质编码基[4]。2013年至2017年，一些PTSD GWAS样本量从147名增加到13 690名参与者[1]，确定一些新的PTSD相关风险等位基因，包括RAR相关孤儿受体A(RAR related orphan receptor A，RORA)[7]、Tolloid样蛋白1(Tolloidlike 1,TLL1)[8]、长基因间非蛋白编码RNA AC068718.1(long intergenic non-protein coding RNA AC068718.1,lincRNAAC068718.1)[9]、含磷酸核糖转移酶结构域的蛋白1(phosphoribosyltransferase domain-containing protein 1,PRTFDC1)[10]、锚蛋白重复域55(ankyrin repeat domain 55,ANKRD55)[11]和锌指蛋白626(zinc finger protein 626,ZNF626)[11]等基因。基于GWAS研究可以通过广泛筛选发现与PTSD相关的遗传变异位点，从而提出关于PTSD发病机制的新假说。另外，候选基因研究也可以验证从GWAS研究中获得的新候选基因。比如，在一项针对中国汉族人群的PTSD影像遗传研究中发现，失去独生子女的成人的RORA基因多态性可调节PTSD症状严重程度与大脑皮质结构变化之间的关系[12]。虽然GWAS是强大的研究工具，但因其严格的多重比较校正从而忽略了很多有意义的基因位点，样本量相对较小的PTSD GWAS研究所产生的结果也存在敏感性和稳定性的问题。为了解决这一难题，精神病学基因组学联盟(Psychiatric Genomics Consortium, PGC)开展了PTSD GWAS荟萃分析，使PTSD研究进入了大规模基因组学合作的时代。PGC是精神病学史上最大的合作实验，由40多个国家的150个机构中800名研究人员组成[13]。PGC-PTSD组研究人员于2017年和2019年先后进行了两次PTSD GWAS荟萃分析，确定了血统和性别特异性风险位点，包括PARK2、PODXL、SH3RF3、ZDHHC14、KAZN，以及一些非编码RNA，并确认了基于PTSD SNP的遗传力因性别而异[14-15]。另外，PGC-PTSD工作组还与通过增强神经成像遗传学荟萃分析计划(Enhancing NeuroImaging Genetics through Meta-Analysis, ENIGMA)联盟合作研究复杂大脑特征的遗传效应,发现PTSD患者海马和杏仁核体积较小[16]。ENIGMA-PGC-PTSD研究人员还发现了新的PTSD风险位点(rs6470292, rs683250)，两个SNPs与壳核体积减少显著相关，支持谷氨酸能系统参与PTSD病理生理机制的假设[17]。基于GWAS的影像遗传学研究将推动PTSD发病机制的阐明更进一步。

然而，先前的候选基因研究甚至GWAS研究在确定PTSD的重叠或可复制风险基因方面的重大突破仍不够多，可能是由于创伤类型、环境因素以及参与这些PTSD基因研究的种族/族裔人群的差异，影响了相关结果的重复性和稳定性。未来需要更大样本量的PTSD GWAS研究或GWAS荟萃分析来解决这些问题。

3 基于多基因风险评分的PTSD影像遗传学研究

多基因风险评分(polygenic risk score, PRS)这一概念是由Horne等于2005年首次提出的[18]。PRS是一个个体所携带的风险等位基因数量的总和，通常根据最大或信息最丰富的GWAS研究估计的效应大小进行加权，从而估计个体总体的疾病遗传风险。由于即使是大样本GWAS也只能获得与许多因果变量之间的关联的边际证据，因此PRS通常在一组P值阈值(P-value thresholds, PT)下计算，例如：PT=1×10-5,1×10-4,0.05,0.1等。PRSice是第一个专门的PRS软件，用于计算、应用、评估和绘制多基因风险评分的结果[19]。

PRS与影像学结合，可深入分析影响PTSD患者大脑结构和功能的总体遗传学因素。皮层下结构的体积是一个可靠的、定量的和客观的表型，以检测遗传和环境的影响。Zheng等[20]发现，在PTSD患者中，海马、丘脑、尾状核、壳核和伏隔核各自的皮层下体积与其各自的皮层下体积PRS密切相关，而杏仁核体积PRS与PTSD发病相关，表明杏仁核体积可作为PTSD的一个危险因素。除了评估个体的疾病遗传风险，PRS还有助于预测疾病状态。Misganaw等[21]于2019年使用PGC-PTSD GWAS研究结果构建的PRS，发现其与PTSD的发病和症状严重程度呈显著相关。Swart等[22]进行了一项PTSD GWAS荟萃分析也得出了一致的结论。虽然根据目前已发表的GWAS结果构建的PRS具有显著性，但还不足以在临床应用、鉴别和分层能力方面预测PTSD诊断以及症状严重程度。PRS的另一个常见应用是检测性状之间的共同遗传病因。Miller等[23]基于GWAS研究发现，跨多个疾病(神经质症、焦虑症、重度抑郁症)PRS值较高同时PTSD症状严重的个体后扣带皮层和右侧颞中回之间的功能连接性降低，提示跨多个疾病PRS调控PTSD症状和脑默认网络的功能连接。PRS反映了PTSD遗传易感性对于脑结构和功能的综合影响，但不足之处在不能提供关于这些SNPs对观察到的结构功能改变的贡献大小。此外，PRS需要基于不同环境、文化和祖先背景的人群中的GWAS分析结果，才能提高其计算值的适用性。总而言之，PRS的应用为遗传因素在PTSD发病机制中的作用提供了一个全面的、可定量的指标。

4 PTSD基于基因-环境-脑-行为的关联研究

上述PTSD影像遗传学研究主要是基于遗传的相关变异对疾病的影响，近年来PTSD影像遗传学的另一重点方向是将环境因素也纳入考察范围内，主要通过联合基因变异与环境因素，观察两者对大脑表型及临床表征的影响。Bremner等[24]采用同卵双胞胎病例对照设计来评估遗传因素和环境因素对PTSD患者海马体积的相对贡献，发现在PTSD患者中，环境因素(即创伤暴露)对海马体积变小的贡献大于遗传因素。

PTSD相关的环境风险因素主要有战斗暴露、虐待事件、童年创伤等，其中童年创伤是最受关注的环境因素之一。童年期是关键的神经发育期，而童年期创伤是成年期PTSD的一个强有力的预测因子，与调节作用于PTSD的基因相互作用。Deslauriers等[25]对部署前后的美国海军进行评估发现，儿茶酚-O-甲基转移酶 (COMT)基因Val158Met多态性与PTSD患者恐惧抑制受损的风险相关，且受童年创伤所调节，即有童年创伤史的PTSD Met/Met携带者在恐惧消退期间对安全信号表现出更高的恐惧增强反应。Morey等[26]在MIRECC数据集中发现了，随着童年期创伤暴露量和LINC02571 rs6906714中G等位基因的增加，右侧海马伞部的体积减小，提示童年期创伤和PTSD风险基因对海马亚区结构的交互作用。由此可见，环境因素的纳入，将更加丰富PTSD的影像遗传学研究。

5 结 语

影像遗传学融合多种影像和遗传数据，识别与神经成像内表型和遗传变异相联系的生物标记物，候选基因研究已经发现了大量SNPs与多个脑区的相关性。GWAS研究筛选出更多与PTSD相关的遗传变异位点，有利于进一步理解PTSD的发病机制，基于GWAS研究结果计算所得的PRS与影像学结合可更全面评估总体遗传学因素对PTSD患者大脑结构和功能的影响。环境因素如童年创伤的纳入促进了PTSD影像遗传学向更广泛和系统的方向深入发展。综上，影像遗传学在PTSD这一复杂的精神疾病的病因学方面取得了一定进展，尤其揭示了遗传(以及环境因素)与PTSD患者大脑结构和功能异常的关联。

尽管如此， PTSD影像遗传学研究仍面临挑战，未来需在以下几方面取得突破：①应开展更多的纵向研究，更好地探索PTSD发生发展过程中遗传变异、环境因素和大脑表型之间的动态关系；②现有研究侧重于探索PTSD潜在神经病理生理机制，未来需开发基于影像遗传学的PTSD诊断或预警模型，促进PTSD易感人群的早期个体化筛查和预防；③应重视表观遗传学(如DNA甲基化)的作用、以及与环境因素的交互作用，为PTSD的精准诊疗提供更多、更全面的生物学证据。