精神分裂癥與甲基-CpG-結合蛋白2基因突變的關系研究進展

岳沙沙 翟金國

精神分裂癥(Schizophrenia，SZ)被認為是一種神經發育性疾病，目前其病因尚未明確。大量研究表明，遺傳學在其發病機制中占據很重要的地位[1]。然而，目前仍存在一些傳統遺傳學無法解釋的現象，因此遺傳與環境因素交互作用受到重視。已有研究發現，表觀遺傳失調可導致神經發育性障礙，表觀遺傳的機制是調節基因的表達，而不直接改變潛在的DNA序列，其中包括染色質重塑、DNA甲基化、非編碼RNA調控、組蛋白修飾，這些表觀遺傳機制已被證明在精神分裂癥、雷特綜合征、抑郁障礙、孤獨癥譜系障礙和脆性X綜合征等神經發育障礙性疾病的發病機制中發揮作用[2]。

甲基-CpG-結合蛋白2(Methyl-CpG-Binding Protein 2, MeCP2)基因作為一種表觀遺傳“閱讀器”，在維持中樞神經系統的正常發育中發揮重要作用，MeCP2基因突變可導致嚴重的神經發育障礙[3]。既往大量研究已經證實MeCP2基因是神經發育性障礙雷特綜合征的易感基因，超過90%的雷特綜合征是由于患者MeCP2基因突變引起的[4]。2014年，Cuddapah V等[5]證明在雷特綜合征患者中MeCP2基因突變類型的不同，可誘導產生嚴重程度各異的臨床表型。除此之外，在精神分裂癥[6]、精神發育遲滯[7]、帕金森病[8]、抑郁障礙[9]、孤獨癥譜系障礙[10]、物質成癮[11]的發病機制中也可見到MeCP2基因不同位點的突變，這表明MeCP2基因突變具有高度的臨床異質性。有研究發現，MeCP2基因可能與精神分裂癥的診斷有關，在多項研究中發現了精神分裂癥患者MeCP2基因的變異[6，12]。本文就MeCP2基因突變類型及其介導的表觀遺傳機制在精神分裂癥中的作用最新研究進展作一綜述。

1 MeCP2基因

MeCP2基因在表觀遺傳學研究領域中被鑒定為一種轉錄抑制因子，其包含兩個功能結構即甲基-CpG結合結構域(MBD)和轉錄抑制結構域(TRD)，MeCP2基因可通過DNA甲基化和組蛋白乙酰化這兩個表觀遺傳標記來抑制基因表達[3]。MeCP2基因從妊娠中期開始，直到成年期均有不同程度的表達，通過調控神經元發生、分化、誘導突觸形成和神經元回路的形成、參與突觸可塑性、調節刺激依賴的基因轉錄[如腦源性神經營養因子(Brain-Derived Neurotrophic Factor，BDNF)基因、γ-氨基丁酸(GABA)基因]等相關的機制，維持中樞神經系統正常發育[13]。2020年，Chen CH等[6]研究發現,精神分裂癥患者存在MeCP2基因多個位點的錯義突變，然而關于其分子機制尚未闡述。但在另外一項研究中發現，MeCP2基因的變異可通過表觀遺傳機制調控大腦中BDNF的表達水平[14]，而BDNF在新生兒發育階段的神經元存活、分化和生長，突觸可塑性起重要作用，因此MeCP2基因的變異可以影響大腦中BDNF表達水平。既往研究表明在缺陷型精神分裂癥患者中，其認知功能評分與BDNF水平呈正相關[15]。

2 MeCP2基因突變與精神分裂癥

隨著新一代測序技術的發展,包括單核苷酸多態性(Polymorphism Single Nucleotides，SNPs)和拷貝數變異(Copy Number Variations，CNV)以及全基因組關聯分析(Genome-Wide Association Study，GWAS)等分子遺傳學標記物的應用，目前研究發現多個與精神分裂癥相關的SNPs[16]。2014年，韓洪瀛等[17]選擇精神分裂癥患者及健康對照,對MeCP2基因上的4個SNPs位點進行基因多態性分析，結果發現，精神分裂癥患者的MeCP2基因SNP位點rs1616369、rs3027933、rs2239464、rs17435存在基因多態性，表明MeCP2基因可能是精神分裂癥的易感基因。研究學者們對這一發現廣泛關注，并試圖去探索MeCP2基因參與精神分裂癥發生發展的證據。

2018年，Sheikh TI等[12]研究發現,在一個近親家族中有5例伴有或不伴有兒童期精神分裂癥的認知功能下降患者和1例患有不典型雷特綜合征的女孩中發現攜帶MeCP2-AT-Hook1結構域的錯義突變p.(Arg190His)；另外在1例女性精神分裂癥患者中，發現了MeCP2基因的從頭突變體p.(Arg190Cys)。這兩個位點的突變對MeCP2-AT-Hook1結構域的DNA結合和染色質凝聚具有負面影響。這表明MeCP2基因突變存在于精神分裂癥患者中，然而該研究只局限于家族成員的研究，研究設計存在選擇偏倚，其研究結論需要進一步論證。為了進一步證實MeCP2基因突變參與了精神分裂癥的發病機制，2020年，Chen CH等[6]通過對404例精神分裂癥患者和390名非精神病對照組，進行了MeCP2基因編碼區突變的系統篩查，結果在精神分裂癥患者中發現了6個罕見的錯義突變(T197M、L201V、L213V、A358T、P376S、P419S)。此外，在1例男性精神分裂癥患者中發現了一種新型的雙重錯義突變，第一個突變機制是G-A核苷酸替換，導致密碼子376的氨基酸序列從脯氨酸變為絲氨酸，命名為P376S；第二個突變機制是G-C核苷酸替換，導致419密碼子上的氨基酸序列從脯氨酸變為精氨酸，命名為P419R。另外從該男性患者的病史資料中發現，其存在精神疾病家族史，其妹妹同樣被診斷為精神分裂癥，該患者及其妹妹都表現為典型的陽性精神病性癥狀，對該男性患者的家庭成員分別進行基因分析，結果發現，在該男性患者的母親身上可檢測到這個雙重錯義突變體，其母親表現為輕度的認知缺陷。上訴研究表明，在精神分裂癥患者中存在廣泛的MeCP2基因不同位點的突變，且該基因突變可通過代際遺傳給下一代。

3 不利環境、MeCP2基因與精神分裂癥

3.1 尼古丁暴露誘導的MeCP2表觀遺傳效應增加患精神分裂癥的風險 既往研究發現，孕婦若吸食傳統香煙或電子香煙，會造成胎兒發育期尼古丁暴露，增加青少年期患精神分裂癥的風險[18]。2020年，Bujk JM等[19]模擬懷孕期間尼古丁暴露的代際傳播影響，研究發現，孕期暴露于尼古丁的第一代及第二代雌性小鼠的皮質紋狀體區域出現DNA甲基轉移酶3A(DNA Methyl Transferase 3A，DNMT3A)表達缺陷；同時，在額葉皮質和海馬大腦區域發現MeCP2和組蛋白去乙酰化酶2(Histone Deacetylase 2，HDAC2)表達的下調。在此前的研究中發現，產前尼古丁暴露誘導的分子機制變化，與青春期后代小鼠尼古丁偏好、引發多動和冒險行為、擾亂活動的節律性有關[20]。這表明產前尼古丁暴露誘導的DNMT3A、MeCP2、HDAC2表達缺陷與異常的精神行為之間可能存在聯系。此外，2017年，Bhave SA等[21]發現，MeCP2基因可調控促腎上腺皮質激素釋放激素(Corticot Ropinreleasing Hormone，CRH)基因的表達，從而維持下丘腦-垂體-腎上腺(Hypothalamic-Pituitary-Adrenal，HPA)軸功能正常，而MeCP2基因表達下調，將誘導CRH基因表達增加，導致HPA軸功能失調，HPA軸調節失調和CRH水平升高與包括精神分裂癥在內的多種神經發育障礙疾病有關。以上研究結果對MeCP2基因參與誘導精神分裂癥的表觀遺傳效應提供了一種可能的機制。

3.2 產前免疫激活誘導的MeCP2表觀遺傳效應與精神分裂癥有關 既往研究表明，產前暴露于母體免疫激活(Maternal Immune Activation，MIA)是后期發展為精神分裂癥的風險因素[22]。2018年，Basil P等[23]研究證實，暴露于產前免疫激活的青春期嚙齒動物，在下丘腦區域存在明顯的DNA甲基化改變，另外還發現，下丘腦區域MeCP2啟動子低甲基化與產前免疫激活有顯著關聯；有趣的是，早期對其進行n-3多不飽和脂肪酸飲食干預，可以有效減弱這種變化，從而穩定表觀基因組。因此，對暴露于母體免疫激活的個體進行早期干預，可能會有效改善其患病的風險。在另外一項研究中發現，產前免疫激活可誘導后代小鼠內側前額葉皮層GABA能基因(即GAD1和GAD2)的啟動子發生甲基化改變，此外產前免疫激活增加了內側前額葉皮層中MeCP2與GAD1和GAD2啟動子區域的結合，且伴隨著GAD67 mRNA和GAD65 mRNA表達水平的降低，可能與MeCP2基因誘導的轉錄抑制有關；與GAD2相比，GAD1啟動子的表觀遺傳修飾與產前免疫激活誘導的工作記憶和社交互動障礙相關[24]。這些研究均提示，產前免疫激活誘導的MeCP2表觀遺傳效應，可能與產前免疫激活誘導精神分裂癥患者異常的精神行為有關。

4 MeCP2基因、BDNF與精神分裂癥

BDNF在新生兒發育階段的神經元存活、分化、生長和維持突觸可塑性起重要作用。大腦中BDNF表達水平與認知水平顯著相關，然而BDNF的活性依賴表達受到MeCP2基因的嚴格調控。2020年，Huang L等[14]研究發現，MeCP2基因的過表達抑制了BDNF基因的轉錄，導致神經2a細胞中BDNF mRNA和蛋白質下調，此外，MeCP2基因的過表達還可以激活S80-MeCP2，并抑制S421-MeCP2、S133-CREB、BDNF和p-TrkB/TrkB在神經2a細胞中的表達比率，從而抑制神經2a細胞中的BDNF/TrkB信號傳導通路，該信號通路在突觸可塑性、神經發生方面發揮重要作用。既往研究發現，海馬與額葉皮質區域內BDNF和/或TrkB的表達下調，可導致依賴于海馬與額葉皮質的學習和記憶認知功能障礙。另外研究發現，在缺陷型精神分裂癥患者中，其認知功能評分與血清中BDNF水平呈正相關[15，25]。

已知亨廷頓蛋白(HTT)和HTT相關蛋白1(Hap1)影響BDNF基因的產生與轉運過程，這兩種蛋白質在缺乏MeCP2基因的興奮性皮層神經元中表達均低于正常水平。2020年，Ehinger Y等[26]通過遺傳或藥理學方法激活HTT(比如S421位點磷酸化)，可以刺激內源性機制，來促進皮質紋狀體網絡中的BDNF的運輸及改善其突觸的連接性，從而維持皮質紋狀體突觸穩態；通過此干預方式，在外在表征上可以觀察到MeCP2基因缺陷小鼠的運動和自主功能明顯改善。另一項研究發現，長期緩慢地予以大麻素藥物治療，對處于疾病晚期的MeCP2基因突變小鼠的識別記憶缺陷具有持久而徹底的修復作用，其分子機制在于誘導PI3K-AKT-mTOR信號通路途徑正常化，導致MeCP2基因突變小鼠大腦中BDNF和胰島素樣生長因子-1 (Insulin-like Growth Factor-1， IGF-1)表達水平增加[27]。上述研究表明，MeCP2基因的變異可能通過調控BDNF表達水平、抑制BDNF/TrkB信號傳導通路，導致大腦中BDNF表達缺陷，從而誘導精神分裂癥的認知功能障礙，然而這種變異所帶來的負面影響，可以通過遺傳及藥物等手段進行干預。這可能為MeCP2基因變異引起的缺陷提供潛在的治療靶點。

5 MeCP2基因、GABA與精神分裂癥

GABA是大腦中的主要抑制性神經遞質，在精神分裂癥的病理生理學中具有重要作用。研究發現，首發精神分裂癥患者腦脊液中GABA濃度相對減低，且低水平的GABA濃度與更嚴重的精神癥狀和認知缺陷有關[28]。

2018年，Chen CY等[29]研究證實，在MeCP2基因缺失小鼠的孤束核中發現突觸受體介導的GABA能傳遞減少、突觸外受體介導的GABA能傳遞增加，以及GABA能神經元活性普遍降低，表明MeCP2基因的缺失將影響GABA能神經元的活性及傳導。在另外兩項研究中發現，GABA抑制性神經元中MeCP2基因缺乏改變了啟動子GAD1/2的表達，導致神經元GABA含量的改變以及突觸生理上的相應改變，從而表現出一系列神經精神表型，包括社會行為、學習/記憶、運動功能、刻板行為等；而作為GABA能神經元的兩個最大的亞型神經元即小白蛋白陽性神經元(PV+)和生長抑素陽性神經元(SOM+)，有條件地從這兩種亞型神經元中敲除了MeCP2基因后，結果發現，PV+神經元中MeCP2基因缺失的小鼠出現運動、感覺、記憶和社會缺陷，而SOM+神經元中MeCP2基因缺失的小鼠則表現為抽搐發作和刻板印象[30，31]。對MeCP2基因缺失的小鼠進行丙戊酸鹽藥物干預，結果發現丙戊酸鹽可誘導MeCP2基因缺失小鼠的GAD1啟動子去甲基化，并顯著增加了MeCP2基因缺失小鼠延髓腹外側中GAD1mRNA表達水平[32]。以上研究表明，MeCP2基因在維持GABA能神經元結構及功能的完整性中發揮重要作用，MeCP2基因的變異將導致GABA能神經元不能正常發揮其功能，從而誘導認知功能障礙等異常的精神行為，然而，這種變異可以通過藥物干預來緩解。

6 小結

MeCP2在表觀遺傳機制領域作為一種轉錄抑制因子，在中樞神經系統發育過程中扮演著不可或缺的角色。MeCP2突變常見于雷特綜合征，目前研究在精神分裂癥患者中發現了MeCP2基因多個位點突變，MeCP2基因可通過環境暴露，影響調控BDNF、GABA表達水平誘導產生精神分裂癥臨床表征。目前的研究結果未充分證實MeCP2基因與精神分裂癥的關系，但是，在一定程度上說明，MeCP2基因有可能通過表觀遺傳機制調控BDNF及GABA表達進而影響患者認知水平。未來的研究也應進一步證實MeCP2基因突變與精神分裂癥的內在聯系。另外MeCP2基因突變誘導的表觀遺傳效應可通過外界不同的干預方式來改善，這可能會對未來抗精神病藥的研發提供一種新思路。