抑郁症影像表观遗传学研究进展

李磊,汪天宇,岳莹莹,袁勇贵

1 概述

抑郁症(major depressive disorder,MDD)以显著而持久的心境低落、兴趣丧失及快感缺失为主要临床特征,其较高的患病率和显著的功能损害带来了沉重的疾病负担。MDD被认为是遗传易感性和环境应激交互作用的结果。遗传学研究将二者视为两个独立因素,而统计学意义上发现的基因与环境交互作用的临床意义有待商榷。特别是基因与环境交互作用背后的分子基础仍有待深入研究[1]。

表观遗传学机制通过不涉及基因组DNA序列突变的基因调控机制(如DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等)发挥相应的生物学效应。同卵双生子研究发现,随着年龄增长非共享环境差异的增大,遗传素质相同的同卵双生子间的基因组DNA甲基化的差异也逐渐增大[2]。可见,DNA甲基化可被环境因素动态改变,其作为一种可能的基因与环境交互作用的分子机制正得到越来越多研究者的重视。

神经影像学技术的急速进展使得研究抑郁症的特异性症状对应的大脑的结构、连接和功能的独特改变成为可能,神经影像学指标可作为客观内表型提示抑郁症存在神经环路异常[3]。而表观遗传学在环境因素动态调控神经元活性、神经可塑性等生理过程中发挥重要作用[4]。近年来,研究者把DNA甲基化视为环境因素影响抑郁症神经环路异常的中介因素,将表观遗传学技术和神经影像学技术联合用于抑郁症研究,为阐明基因与环境交互作用对脑功能影响的生物学机制提供了新视野。这意味着不再将基因和环境视为两个独立因素,环境因素通过改变DNA甲基化而影响特定基因表达水平,从而参与了对个体神经环路的影响,继而影响抑郁症发病。

前期研究发现抑郁症患者的5-羟色胺转运体基因SLC6A4、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)基因和糖皮质激素受体基因NR3C1等基因的启动子区DNA甲基化升高[5]。在这些研究的基础上,抑郁症相关影像表观遗传学(imaging epigenetics)研究主要聚焦在抑郁症的5-羟色胺(serotonin,5-HT)递质假说、神经再生与可塑性假说和下丘脑-垂体-肾上腺(hypothalamic-pituitary-adrenal,HPA)轴失衡假说相关的基因,本文综述了这3个假说相关的研究证据,为该领域的进一步研究提供参考。

2 5-HT递质假说

抑郁症患者存在5-HT递质失衡,绝大多数抗抑郁药物均可增加突触间隙5-HT水平,5-HT转运体编码基因SLC6A4也被证实与抑郁症、早年负性应激有关。一项结构磁共振研究发现在包括抑郁症和对照组的所有受试者中,更多的童年创伤和更小的海马体积均与SLC6A4启动子区DNA高甲基化水平相关[6];弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)磁共振研究发现抑郁症患者SLC6A4甲基化与胼胝体的各向异性分数(fractional anisotropy,FA)和轴向弥散(axial diffusivity,AD)显著负相关[7]。抑郁症患者和健康对照的默认模式网络(default mode network,DMN)功能连接与SLC6A4启动子区DNA甲基化的关系恰好相反:抑郁症患者DMN功能连接与SLC6A4启动子区DNA甲基化显著负相关,而在健康对照则呈正相关[8]。Frodl等[9]发现SLC6A4启动子区DNA甲基化与负性情绪相关的左侧前脑岛活性显著正相关,与情绪注意转移相关右侧后脑岛活性显著负相关。SLC6A4基因DNA甲基化和杏仁核的关系得到了许多研究的关注。Nikolova等[10]发现青少年的SLC6A4启动子区DNA甲基化水平和功能磁共振测量的恐惧相关的杏仁核活性显著正相关,这种相关性也可见于在成年健康人群和抑郁症患者[9,11]。而在有焦虑、抑郁家族史的青少年中,较低的社会经济状况与之后的SLC4A4高甲基化水平相关,可增强负性情绪相关海马活性,继而预测之后的抑郁症状严重程度[12]。这一关键性研究首次揭示了环境因素致病过程中的影像表观遗传学机制。

3 神经再生与可塑性假说

神经再生与可塑性是抑郁症发病及抗抑郁治疗过程中的关键性机制。BDNF是神经营养因子家族的重要成员,它是正常神经可塑性发生的关键分子。BDNF基因DNA甲基化在抑郁症发病机制中起关键性作用[13]。韩国一个研究组发现抑郁症患者BDNF启动子区1个CpG位点甲基化水平与前放射冠(anterior corona radiata,ACR)的FA和AD呈负相关[14];同一研究组的另一项研究发现抑郁症患者右内侧眶额叶(medial orbitofrontal)和左舌叶皮质厚度减少,且两区域皮质厚度与BDNF甲基化负相关[15]。钙素(tescalcin,TESC)基因可调控神经元增殖、分化,两项全基因组关联研究(genome-wide association study,GWAS)分别独立发现TESC基因rs7294919的T等位基因与海马体积减少相关[16-17];进一步研究发现抑郁症患者rs7294919周边的1个CpG位点DNA甲基化与海马旁扣带FA呈负相关、与其RD呈正相关[18]。正齿状同源框基因2(orthodenticle homeobox 2,OTX-2)是神经发育与神经可塑性过程中的关键调控基因[19]。在经历早年虐待的儿童中,其OTX-2启动子区DNA高甲基化水平可预测右侧腹内侧前额叶(ventromedial prefrontal cortex,vmPFC)皮质到双侧内侧额叶皮质(medial frontal cortex)、扣带回的功能连接增强[20]。

4 HPA轴功能失衡假说

抑郁症患者存在应激相关的HPA轴功能失调。糖皮质激素是HPA轴应对环境应激的主要效应因子,它可以通过神经可塑性改变影响情感环路[21]。基于全基因组DNA甲基化数据计算得到的DNA甲基化年龄被证实在青少年日间皮质醇高水平和海马体积减少之间发挥中介作用,有研究认为DNA甲基化可作为HPA轴功能失衡所致神经结构改变的表观遗传学标记物[22]。一项同卵双生子研究发现,糖皮质激素受体基因NR3C1的1D外显子附近一个CpG位点高甲基化与较低的焦虑-抑郁家族易感性以及情感网络中右侧海马连接减低相关[23]。糖皮质激素受体拮抗因子的编码基因FKBP5相关研究关注于其内含子7上的两个CpG位点(CpG6和CpG7)。在MDD及健康对照中,FKBP5基因内含子7的低甲基化水平与较低的额下回眶部(inferior frontal gyrus pars orbitalis,IFGO)灰质密度相关[24];健康对照组的甲基化水平与左侧眶额叶皮质(orbitofrontal cortex,OFC)-喙部前额叶(rostral prefrontal cortex,RPFC)功能连接负相关、与默认模式网络(default mode network,DMN)功能连接正相关[8];在MDD患者,FKBP5基因DNA甲基化水平与IFGO激活呈负相关[24]、与DMN连接呈负相关[8];在FKBP5基因的rs1360780d多态性的C纯合个体中,内含子7上的CpG6位点甲基化水平与右侧横前额极回(transverse frontopolar gyrus)皮质厚度呈正相关[25]。

5 总结与展望

不断增加的证据证明特定基因的DNA甲基化可影响抑郁症及健康个体的大脑结构和功能。但是影像表观遗传学领域的研究仍存在几个问题:首先是方法学的挑战,大部分研究采用了横断面研究设计探讨了DNA甲基化改变与脑影像异常的关联,仅有1项研究通过纵向设计,应用中介效应分析方法验证了高遗传风险个体的“环境因素DNA甲基化脑影像改变抑郁症状”的路径机制[12]。纵向随访设计有助于进一步从时间相关性探索DNA甲基化和神经影像改变的因果关系[26]。这能够为深入揭示抑郁症神经环路异常相关DNA甲基化机制提供可能。

其次是候选基因的选择问题,绝大部分研究应用候选基因策略研究了抑郁症三个经典假说通路上的关键性基因。作为抑郁症的重要致病假说之一的炎症机制在近年来得到越来越多的重视。目前,仅1项研究使用全基因组甲基化测序方法计算甲基化年龄[22]。在未来研究中应用全表观基因组关联研究(epigenome-wide association study,EWAS)方法能发现新的候选基因或通路,拓宽抑郁症的发病机制研究视野。例如,候选基因研究与EWAS研究共同发现抑郁症患者白介素-6基因启动子区DNA甲基化水平改变[27-28]。炎症相关基因的表观遗传学特征与神经影像改变有什么样的关系值得在将来的研究中进一步探索。

DNA样本来源的选择,上述抑郁症相关影像表观遗传学研究主要采集外周生物样本,其测量的外周DNA甲基化特征是否能够反应中枢有待商榷。多数研究检测了外周血DNA甲基化水平;少数研究,特别是青少年群体的研究使用唾液样本。动物研究表明,唾液和脑组织的DNA甲基化特征最为相似[29],临床研究也认为唾液和颊粘膜样本更适宜用于影像表观遗传学研究[30]。颊粘膜是唾液中细胞的主要类型,从胚胎发育角度,颊粘膜细胞和脑组织共同起源于外胚层胚叶[31]。所以,颊粘膜细胞和唾液的DNA甲基化特征更能反应脑内表观遗传变化。

总之,尽管尚存在一些不足,影像表观遗传学研究为我们理解抑郁症神经环路改变相关的基因与环境交互作用的分子机制带来了理论和方法学的革新。DNA样本的来源选择、EWAS的研究策略和纵向研究设计在未来的研究中需要被重视。此外,非编码RNA在抑郁症发病及抗抑郁治疗中的作用也正逐渐得到研究者的重视,其与神经影像学改变的关系也值得深入研究。