表观遗传学与精神分裂症

表观遗传学与精神分裂症

摘要：

精神分裂症患者大脑皮层和其他脑区的功能紊乱往往伴随着许多基因表达的失调。然而，潜在的遗传风险结构大部分情况下仍旧不清楚。因此，基因表达的表观调节包括DNA 和组蛋白的共价修饰，为进一步探索精神分裂症的分子病理提供了一个有力的选择且超越RNA定量的水平。有文献已经表明精神分裂症病人死后尸检大脑中特异基因和启动子的DNA胞嘧啶甲基化和组蛋蛋白白乙酰化的改变，且往往与相应的RNA的水平有关。有趣的是，在整个生命周期的研究表明，DNA和组蛋白甲基化标记在人类大脑皮层中发育调节，这表明至少在成年精神分裂症受试者大脑中表观遗传的改变反映了神经发育障碍。

引言

精神分裂症是一种复杂的疾病，在同卵双生子和非孟德尔遗传模式中其一致率超过70%【1】。虽然拷贝数变异、微缺失和相关基因多态性等精神分裂症的遗传危险因子正在增加，但相对大多数受累个体仍缺乏直接的遗传因子【2】。疾病模型的提出赋予精神分裂症病因学“后生”的因素的重要作用【3】。表观遗传学涉及到的表型和机制是不涉及DNA 序列变化的基因的表达和功能的改变。进来，“表观遗传”应用更广泛，至少在神经科学和转化医学方面，在染色体结构和功能划分甚至有丝分裂后的细胞包括神经元经常提及“表观遗传”。【4,5】。

理解大脑组织染色体分子结构对于未界定细胞病理学的疾病如精神分裂症非常重要，这些疾病常与编码大量转录本的RNA量的改变有关，转录本涉及到神经递质的抑制或兴奋、髓鞘生成和新陈代谢等【6,7】。因为在精神分裂症患者尸检中涉及到DNA启动子CpG 岛二核苷酸的甲基化和大范围的转录后组蛋白的修饰，这都与相应的RNA的量有关【8—10】。典型的假说就是DNA启动子甲基化和乙酰化修饰改变是一个潜在的基因的表达活性变化的指标，相应的导致RNA水平量的变化。从这个观点来看，染色质分析和表观遗传标记的研究将会是一个很受欢迎的检验大脑常用的方法，特别是与传统的mRNA定量和蛋白质等方法的比较，这种方法能够揭示大脑发育和随着年龄而发生的一些神经精神病学包括精神分裂症的一些基因表达的内在机制【6,7】。

精神分裂症患者大脑中DNA甲基化

在脊椎动物中，有注释的基因序列中CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化和基因的表达活性联系并不紧密。但是，在调控序列附近的转录起始位点和临近的启动子，DNA甲基化常间接的反应了转录抑制【11,12】。迄今为止，大多研究精神分裂症患者尸检DNA甲基化的改变集中在大脑皮层，主要是前额区域。一些开创性研究报道了精神分裂症患者涉及皮层功能紊乱一些调节基因及启动子序列CpG超或低甲基化的异常程度，包括REELIN【9】，COMT【13】和SOX10【14】。这些疾病相关基因低（超）甲基化的改变与相应的RNA的

量的增加(减少）有关，因此，需要反复探求转录起始位点CpG位点的预期功能。另一方面，为以后更深的探讨，至少REELIN和COMT基因，疾病相关的甲基化改变在单独的研究中未能重复【15,16】。

最近，Petronis的团队第一次全面报道了额叶DNA甲基化研究，样本量较大，精神分裂症、两相情感障碍和正常对照各35位，使用微阵列技术，在富含CpG序列的几乎8000个已注释的基因的5`端和启动子区。这项研究发现大约100个位点在精神分裂症和两相情感障碍组DNA甲基化改变有性别特异性改变，涵盖了包括谷氨酸和GABAergic神经递质和神经发育大范围功能基因【15】。位点的数量可以显示，与对照组相比，超甲基化和低甲基化大致相等，这使得精神分裂症朝着大脑中增加或减少DNA甲基化与广义的漂变相联系变得不太可能。早期一篇研究精神分裂症颞叶皮层的报道也得出了相似的结论，在检验的50个基因没有统计学意义上DNA甲基化差异【17】。值得注意的是，对于每个得出DNA甲基化阳性结果的研究，与对照组相比，疾病相关的改变总体都是微小的。例如，在Mill的研究中，疾病相关的DNA甲基化水平即使是最显著的基因（WDR18）也只有17%和25%【15】。即使是单拷贝基因，为推断DNA甲基化的程度，从受累个体的组织匀浆到细胞核的数量，到目前证据支持这样的观点：精神分裂症许多DNA甲基化的改变可能仅涉及到大脑皮层一小部分细胞。

此外，精神分裂症DNA甲基化有性别特异性这就要求要增加后续的研究。性激素可能有一定作用，一个简单的例子雌激素调节信号通路与染色质的表观遗传调控有关，包括DNA和组蛋白甲基化【18，19】。

组蛋白修饰

组蛋白存在真核生物染色质中，核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各两个组成组蛋白八聚体，外围有146bp基因组DNA盘绕，核小体为染色质的基本单位。连接组蛋白H1连接两个核小体。组蛋白有特异的转录后修饰，特别是核心组蛋白的N末端的修饰，如赖氨酸的乙酰化和甲基化，精氨酸甲基化，丝氨酸磷酸化和一些赖氨酸残基泛素化等。其中几种修饰受转录活性的调节或设计基因表达的表观调控【20】。例如，赖氨酸乙酰化界定实际或潜在的基因表达位点，而一般的小分子调节剂SUMO通常与转录抑制有关【21】。目前为止，只有很少的关于精神分裂症大脑皮层组蛋白修饰的信息。一项研究表明，在少量个体的精神分裂症团体中量化的前额皮层染色质组蛋白修饰增加了组蛋白H3精氨酸17残基的甲基化，这预示着基因表达代谢的严重缺失【22】。因为H3-甲基-R17标记主要在神经元细胞核中表达【22】，可以推测在某些类型如神经元或者其他细胞的染色质修饰，精神分裂症患大都是受广义变化的影响。这个假设受到了其他更深层报道的支持，在精神分裂症患者外周血淋巴细胞中组蛋白乙酰化程度改变了【23,24】。然而，仍需要探讨这些染色质修饰的普遍改变如何与精神病的神经病理学相联系的。

通过染色质免疫沉淀反应（CHIP）可以检测到特异基因组位点的组蛋白修饰，该技术

能应用于尸体大脑组织的检测。疾病相关基因组蛋白乙酰化或甲基化的改变在神经精神病学包括共济失调都有报导【25】。但在精神分裂症中组蛋白乙酰化或甲基化的研究报导很少，对于乙酰化而言，偏向赖氨酸的甲基化研究，是因为这很少受到组织自溶或尸检等的影响。研究赖氨酸甲基化也非常有利，因为这是染色质结构和功能包括基因的表达的一种关键的修饰，即被修饰的赖氨酸残基特异位点甚至是修饰的甲基数量都反应了独特的染色质状态来区分转录活性、沉默或抑制位点【26】。如RNA聚合酶复合物生成的编码和非编码序列通常被转录起始位点附近的核小体H3K4三甲基化的尖峰所界定，且沿转录区域三甲基H3K36，二甲基H3K79的分布更广泛【27-29】。相反，单甲基H3K4界定了转录起始位点远距离的增强子序列【30】。此外，三甲基H3K9、H3K27和H4K20与染色质抑制有关，至少在人类细胞中单甲基H3K9和H4K20与基因表达相关联【31】。有研究发现，区分活性或抑制染色质的两个标记三甲基H3K4和H3K27在精神分裂症患者大脑皮层中三甲基H3K4向H3K27转化，与之附近的编码67KD谷氨酸脱羧酶的基因GAD1活性也有所改变，GAD67RNA量有所减少【32】。事实上，精神分裂症患者GAD1基因中甲基化的H3K4向甲基化的H3K27转变是伴随着GAD67RNA的减少。而且，患者前额染色质GAD1的改变受到GAD1基因5`末端SNP的影响，先前报导中5`末端SNP与儿童期发病的精神分裂症和其他疾病的遗传风险有关，它加速了灰质减少【33-35】。然而潜在的分子机制仍需探索，但这些发现提供了遗传和表观遗传因子相互作用有助于基因表达的失调而导致大脑皮层功能障碍和精神病。

细胞特异性表观遗传标记

至今为止，大多试验设计检测和量化DNA甲基化和组蛋白乙酰化要求103-108个细胞核的样本，研究中缺少细胞就造成了一个挑战，这是因为大脑组织是由不同种类细胞构成的极其复杂的不均匀的混合物。许多探求精神分裂症基因表达异常的表观遗传的研究利用组织匀浆分析DNA和组蛋白修饰，而感兴趣的基因常只在一些神经或其它细胞的亚群中表达【36】。一些变化如精神分裂症患者大脑皮层I成次REELIN启动子DNA超甲基化或GAD1启动子三甲基H3K4向三甲基H3K27的转变可能表明抑制性中间神经元的表观遗传缺陷【10】。有一个引人的假设实验能够潜在解释相应的REELIN和GAD1RNAs的减少【37】。这个假设需要技术的进一步发展以便用来更确凿的测试如直接从尸体组织中高效的整理GABAergic神经元染色质。现在已取得了一些进展，例如，在一天时间内已可以净化、免疫（用抗神经膜抗体）和从尸体不足1g大脑皮层中有效的保存107-108神经元和非神经元细胞，从而能使神经元和非神经细胞染色质单独处理【38,39】，原理上这些方法也适用于挑选神经元亚型和其他细胞类型。

精神分裂症的神经生物学启示

如上所述，研究精神分裂症尸体大脑中已确定的启动子序列的DNA和组蛋白修饰已