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精神疾病的防治是當今世界各國面臨的共同難題,。在全球范圍內(nèi),，已經(jīng)造成了極大的經(jīng)濟負擔和較高的致死、致殘率,。據(jù)報道,，目前我國的精神疾病負擔已經(jīng)超過心腦血管疾病和惡性腫瘤,，成為我國醫(yī)療體系的最大負擔。但是,，與其他許多疑難雜癥類似（如AD,、PD等），精神分裂癥的病理性成因至今難以明確,。同時，全球范圍內(nèi),，針對精神疾病康復和發(fā)病機制的研究也進展緩慢,。腦影像數(shù)據(jù)和基因數(shù)據(jù)可能是突破其發(fā)病機制的關鍵證據(jù)，以往研究已經(jīng)針對腦影像數(shù)據(jù)和2萬個多個基因點位進行過研究,，但到目前為止仍收效甚微,。那么，精神疾病的基因表達和其異常的腦結(jié)構形態(tài)有無關系呢,，針對此問題,，相關研究者進行了探索性的研究，發(fā)現(xiàn)基因SLC39A8的錯義突變與殼核灰質(zhì)體積增大有關,。并且這種關系在精神分裂癥患者身上明顯減弱,。該研究發(fā)表在著名期刊《JAMA Psychiatry》。青少年腦發(fā)育異常先于許多主要精神癥狀之前而發(fā)生,。這種發(fā)育軌跡的異?？赡芘c青少年的精神病理的遺傳風險有關聯(lián)。本研究的目的是確定與青少年腦結(jié)構相關的基因變異,，并探索它們二者關聯(lián)和精神病理的關系,。作者對一組14歲青少年進行了體素水平的全基因組關聯(lián)研究（GWAS），并利用等位基因特異性表達分析在另外4個獨立樣本庫中的驗證作者的結(jié)果,。將基因與腦的關系在以下三組間進行對比：精神分裂癥患者組,，未受影響的同胞組和健康對照組。這個基于人口的,、結(jié)合臨床樣本的多中心研究納入了5個中心的樣本,，分別是：IMAGEN隊列，Saguenay Youth Study,，Three-City Study,， Lieber Institute for Brain Development sample cohorts 以及UK biobank。這些中心的樣本同時擁有腦影像和基因測序資料,。臨床樣本包括來自LieberInstitute for Brain Development研究中心的精神分裂癥患者和其未患病的同胞,。數(shù)據(jù)分析再2015年10月至2018年4月間進行。作者計算了樣本的腦灰質(zhì)容量（腦影像）和基因變異（Illumina BeadChip的基因分型）,。探索樣本包括1721個青少年（873個女孩,，50.7%）,，平均（標準差）年齡未14.44（0.41）歲。重復驗證樣本包括8690個健康成年人（4497個女人,，51.8%）,，他們來自4個獨立的研究。非同義基因變異（SLC39A8中的rs13107325的次要T等位基因,，該基因與精神分裂癥有關）與殼核灰質(zhì)體積增大有關（左側(cè)的方差解釋為4.21%,，t=8.66；95%CI=6.59-10.81,，p值為5.35E-18,；右側(cè)的方差解釋為4.44%，t=8.90,，95%,，CI=6.75-11.19，p值為6.80E-19）,。同時其與殼核的SLC39A8的低表達有關（t=-3.87,，p=1.70E-4）。在驗證組中這種腦與基因的關系得到了驗證,，但是精分組(z = ?3.05; P = .002; n = 157)和同胞組(z = ?2.08; P= .04; n = 149)的腦與基因的關系減弱了,。 作者的結(jié)果表明基因SLC39A8錯義突變與殼核灰質(zhì)體積增大有關。這種關系在精神分裂癥患者身上明顯減弱,。這些結(jié)果提示異常的離子轉(zhuǎn)運在精神病病因中的作用,，并為恢復該突變功能為目的先導干預治療提供了靶點。 青少年的腦發(fā)育經(jīng)歷了結(jié)構的改變,，如果這個正常的發(fā)育軌跡出現(xiàn)了異?？赡苁窃S多精神癥狀的基礎。青少年腦發(fā)育的生長模式的研究是通過縱向的神經(jīng)影像研究來實現(xiàn)的,，比如尾狀核,、殼核隨成長的減少，或者海馬的增加,，以及倒U型的杏仁核和丘腦發(fā)育軌跡等,。雙胞胎研究表明，在大腦發(fā)育的不同階段,，遺傳力（或遺傳率）會發(fā)生區(qū)域特異性的變化,，年齡和遺傳力的交互作用也會影像灰質(zhì)體積。青少年大腦結(jié)構和患精神疾病風險的共同遺傳聯(lián)系有待去揭示,。 GWAS（全基因組關聯(lián)研究）的meta分析（大規(guī)模薈萃分析）是探索腦結(jié)構新的基因變異的先進技術,。然而，這些研究常常研究的是年齡不一致的人群，從而最大化他們的整體樣本量,，對青少年腦研究不適用GWAS,。因此，人們對遺傳因素的了解還很少,，無法為我們提供有關大腦發(fā)育的正常軌跡的信息,，而且與正常軌跡的偏離也被認為與精神疾病的病理生理學有關。為了提高探測青春期大腦中遺傳關聯(lián)的統(tǒng)計效能,，很重要就是調(diào)查年齡范圍較小的樣本,。這已在2014年的雙胞胎研究中得到證實，這項研究納入了89對年齡相同的雙胞胎,，并評估了他們的遺傳力,。他們的統(tǒng)計效能可以與一項大型meta分析相匹敵，這個meta分析的樣本是來自不同年齡組1250對雙胞胎,。使用基于圖譜的大腦分割可能會導致檢測遺傳關聯(lián)的一些其他缺陷，因為這樣定義的大腦區(qū)域可能在遺傳上是異質(zhì)性的,，因此可能導致假陰性,。為了解決這些局限性，作者研究了2000多名都是14歲的健康青少年（IMAGEN）,，并將體素級別的腦成像與全基因組關聯(lián)研究相結(jié)合,。大腦結(jié)構的遺傳關聯(lián)可以出現(xiàn)在特定的發(fā)育時期或存在于整個生命周期中。因此,，遺傳因素可能會導致廣泛的神經(jīng)解剖畸變,，這些畸變在特定的發(fā)育時期或整個生命周期中都與心理病理學有關。為了驗證作者的發(fā)現(xiàn)并將作者發(fā)現(xiàn)拓展到更廣泛的年齡段,，作者使用了另外四組健康樣本來刻畫整個生命周期中的模式,。這四個數(shù)據(jù)庫包括Saguenay青年研究（SYS），利伯大腦發(fā)展研究所樣本（LIBD）,，英國生物庫（UKB）和三城市研究（3C）,。對于鑒定出的遺傳變異，作者測試了它們對腦組織中鄰近基因表達的調(diào)控,。為了測試青少年大腦的遺傳關聯(lián)是否受到精神病理學的影響,，作者比較了患有精神疾病的患者，未受影響的同胞以及健康對照組之間的腦基因關聯(lián),。IMAGEN研究是一項基于人群的縱向影像遺傳學隊列,，招募了2087名14歲的健康青少年，其中1721名參加了vGWAS,。作者同時還研究了來自青春期SYS樣本的971位健康參與者,，來自臨床LIBD樣本的272位健康參與者，來自基于人群的UKB隊列的6932位參與者以及來自基于人群的隊列研究3C樣本的515位健康的老年參與者。在LIBD的精神分裂癥的研究中,，作者調(diào)查了157例經(jīng)過治療的慢性精神分裂癥的患者以及149位未受影響的同胞（即他們的兄妹）,。IMAGEN項目開展自以下機構：倫敦國王學院，諾丁漢大學,，都柏林三一學院,，海德堡大學，德累斯頓工業(yè)大學,，原子能與輔助能源委員會,，德國漢堡大學醫(yī)學中心。對于SYS,，所有參與機構的機構審查委員會都批準了本研究報告的所有研究,。 LIBD研究作為美國國家心理健康研究所的精神分裂癥臨床腦疾病分支研究的一部分。該研究得到美國國家心理健康研究所校內(nèi)計劃的機構審查委員會的批準,。3C研究得到了比克特醫(yī)院倫理委員會的批準,。每個隊列研究發(fā)布后，所有成年參與者均提供了書面知情同意書,。對于IMAGEN和SYS中的青少年參與者,，所有參與者的父母在獲得有關研究程序的信息后均提供了書面知情同意，而青少年在獲得書面信息后也表示了同意,。使用Illumina Human610-Quad Beadchip或者Illumina Human660-Quad Beadchip對IMAGEN樣本的血樣進行基因分型,。經(jīng)過質(zhì)量控制后，有466114個單核苷酸多態(tài)性（SNP）被確定進入以下的分析,。有關基因分型和質(zhì)量控制的詳細信息,，可在以往發(fā)表的文獻中，以及在補充方法中的eMethods 1中找到,。根據(jù)針對IMAGEN研究修改的Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative（ADNI）規(guī)程,，利用來自3個制造商的3T磁共振掃描儀對研究對象進行了結(jié)構磁共振成像。使用SPM8對T1結(jié)構像進行了基于體素的形態(tài)計量分析（VBM）,。預處理步驟包括,，分割，空間標準化（MNI空間的Dartel template）,，調(diào)制和平滑化（8 mm FWHM）,。在UK Brain Expression Consortium（UKBEC）數(shù)據(jù)庫中，有134個無神經(jīng)病理學病變的參與者的10個腦區(qū)的基因表達數(shù)據(jù)是可用的,。對于基因上任何突變（由vGWAS鑒定）,，作者首先測試了該SNP是否與該基因的表達相關。其次,，作者繼續(xù)測試這種關聯(lián)是否是組織特異性的,，以及該SNP是否也對鄰近（±1 Mb）基因的表達有調(diào)控作用,。在這樣的擴展的搜索中，作者對附近多個基因與大腦多個區(qū)域之間的分析進行了多重比較校正（補編中的e方法7）,。在探索樣本中,，作者對大腦中每個體素的灰質(zhì)體積進行了GWAS（按照AAL模板標記的438145個體素）。如果一個團塊擁有超過217個相連的體素（約4/3×π×[3.3970×1.645] 3 / 1.53像素落入平滑核的90％置信區(qū)間內(nèi)）,，作者認為該團塊具有統(tǒng)計學意義（Bonferroni校正,，P <2.4483×10-13=0.05 / 438 145/466114）。然后將已識別的團塊視為感興趣區(qū)域,，并將每個感興趣區(qū)域的灰質(zhì)體積由該團塊內(nèi)所有體素的灰質(zhì)體積的和來計算得到,。重復測試也主要是圍繞這幾個團塊展開的。作者通過3000次bootstraps來建立了統(tǒng)計數(shù)據(jù)的95％置信區(qū)間,。如果您對結(jié)構腦影像數(shù)據(jù)處理感興趣,，可參考思影科技課程及數(shù)據(jù)處理服務：基于GWAS匯總數(shù)據(jù)的孟德爾隨機化對于已經(jīng)確定的大腦結(jié)構，作者通過基于Web的應用程序（MR-Base）進行了基于匯總數(shù)據(jù)的孟德爾隨機化（SMR,，MR是基于最基本的孟德爾遺傳規(guī)律,，即親代的等位基因會隨機分配給子代，而基因型決定表型（疾病當然也是一種表型））分析,。使用Psychiatric Genomics Consortium 2014 GWAS精神分裂癥的結(jié)果作為輸出,，作者測試了確定的大腦結(jié)構與精神分裂癥之間的關聯(lián)是否顯著，并且排除了非遺傳混雜因素,。 SMR的顯著結(jié)果提示暴露（腦容量）和結(jié)果（精神分裂癥）之間存在關聯(lián)。這是通過暴露相關遺傳變異作為一種手段而達到的,，因為遺傳變異的隨機性質(zhì)與隨機臨床試驗的設計相仿,。盡管SMR的陽性顯著結(jié)果需要進一步的生物學驗證，但陰性的結(jié)果至少可以表明缺乏關聯(lián),。作者首先進行了效應分析，來測試作者是否有足夠的樣本量來檢測作者臨床樣本中先前確定的遺傳關聯(lián),。為了將精神分裂癥患者或同胞與健康對照者之間的關聯(lián)進行比較,，作者使用相關系數(shù)估算了其效應量。感興趣區(qū)的灰質(zhì)體積與SNPs之間的片相關性被確定（控制了年齡,，年齡×年齡,，性別，智商,，總顱內(nèi)體積以及灰白質(zhì)體積與總顱內(nèi)體積之比）,。在獨立樣本之間，作者比較了效應量（即偏相關系數(shù),，轉(zhuǎn)換為z統(tǒng)計量后）,。95％單側(cè)CI的上限由3000個放回的bootstraps確定，分別用于患者及其匹配的未受影響同胞的2個偏相關分析中中。在1721名健康青少年的探索樣本中（873名女孩[50.7％]）,，其平均（SD）年齡為14.44（0.41）歲,，而8690名健康參與者的重側(cè)樣本（其中4497名是女孩[51.8]％]）的年齡范圍在12至92歲之間。臨床樣本包括157例精神分裂癥患者（其中35例為女性[22.2％],，平均[SD]年齡為34.82 [9.91]歲）和149例未受影響的同胞（其中85例為女性[57.1％],，平均[SD]年齡為36.60[9.44]歲精神分裂癥風險SNP rs13107325與殼核體積的關系 將基于體素的分析和GWAS（vGWAS）應用于探索樣本，作者發(fā)現(xiàn)SNP rs13107325的次要T等位基因（基因SLC39A8中的錯義突變）與雙側(cè)殼核的體積增大相關（左半球：t1705 = 8.66,；P = 5.35× 10-18,；方差解釋度為[VE] = 4.21％；右半球：t1705 = 8.90,；P = 6.80×10-19,；VE = 4.44％），并且這些團塊在左右半球之間是不對稱的（圖1A-C）,。此外,，作者發(fā)現(xiàn)SNP rs7182018的minor Gallele（lncRNA RP11-624L4.1的內(nèi)含子變體）與雙側(cè)中央溝（左半球：t1705 = 9.86; P = 1.25×10?22; VE = 5.39%; 右半球: t1705 = 9.96; P = 4.54×10?23; VE = 5.50%; 圖1D和E;）的2個團塊的灰質(zhì)體積增大相關。 rs13107325與精神分裂癥相關（2014年PsychiatricGenomics Consortium [phase 2] GWAS）,。SMR結(jié)果確定了殼核的灰質(zhì)體積與精神分裂癥之間的關聯(lián)（左殼狀核：b = 0.9388; SE = 0.1329; P = 1.61×10-12;右殼核簇：b = 3.444; SE = 0.4875; P = 1.607×10-12）,。考慮到SMR分析未發(fā)現(xiàn)中央溝與精神分裂癥之間存在關聯(lián),，作者推測rs7182018與精神分裂癥無關（圖3）,。 
注釋：大腦每個體素的灰質(zhì)體積與SNP rs13107325（A和C）或rs7182018（D和E）之間的顯著關聯(lián)（-log10 P）。紅色表示較強的關聯(lián),，而藍色表示較弱的關聯(lián),。B，經(jīng)過Bonferroni校正的四個團塊（P <2.45×10-13,，由0.05 / 466114 [SNP數(shù)] / 438 145 [體素數(shù)]計算得到）,。左右中央溝周圍的兩個團塊分別用紅色和橙色標記。左右殼核分別用黃色和綠色標記,。
圖2. 四個GWAS和關聯(lián)的體素與基因表達的具體關系
圖3. 全腦探索性分析發(fā)現(xiàn)的與GWAS相關的中央溝和殼核相關的基因表達在971名平均（SD）年齡為15.03（1.84）歲的健康青少年的SYS樣本中,，作者在左側(cè)殼核中復制了探索樣本中發(fā)現(xiàn)的SNP rs13107325正相關關系（t964 = 3.70； P = 1.16×10?4）,，但沒有發(fā)現(xiàn)右側(cè)殼核中的這種關聯(lián)（t964 = -1.73; P = .08）,。右側(cè)殼核的團塊顯著受到SYS樣本中島葉皮質(zhì)的較大變化的影響：一部分島葉皮質(zhì)被映射到該團塊中。使用UKB樣本（平均[SD]年齡為62.64 [7.41]年,；n = 6932）,，作者重復了rs13107325與殼核灰質(zhì)的正相關關系（左半球：t6885 = 4.80； P = 8.16×10-7 ,；VE = 0.33％,；右半球：t6885 = 4.80,；P = 8.16×10-7；VE = 0.60％）,。由于該隊列的樣本量很大,，作者進一步證實一些有顯著意義的團塊，（通過在團塊水平上,，將SNP應用于全腦,，并進行10,000次的置換檢驗）。在另外兩個平均年齡（SD）為31.92（9.50）的獨立樣本中（LIBD樣本,，n = 272）和77.48（5.12）（3C樣本,，n = 515），作者再次確認了前面發(fā)現(xiàn)的正相關關系,。rs13107325與殼核SLC39A8低表達的關系使用UKBEC（n = 134,、112CC基因型，22 CT CT基因型,，SNPrs13107325的0TT）的表達定量性狀基因座（eQTL）數(shù)據(jù)庫,，作者發(fā)現(xiàn)風險等位基因（T）atrs13107325的攜帶者表現(xiàn)出SLC39A8的較低表達（t127 = -3.87; 95） CI（％6.5--1.73; P = .0002）（圖2A和B）。此外,，作者發(fā)現(xiàn)盡管SLC39A8（圖2C）在腦內(nèi)廣泛表達,，但QT締合對殼核是特異性的，在任何情況下均未檢測到其他大腦區(qū)域（P <.0008,，對10種類型的腦組織和6個鄰近基因進行Bonferroni校正）（圖2D）,。除了基因SLC39A8（附錄中的表13和表14），作者還發(fā)現(xiàn)rs13107325與海馬中NF-κB1的較低基因表達有關（t120 = -3.62; 95％CI,，?6.31至?1.28; P =）,。 0004），額葉皮層中的MANBA（t125 = -3.73; 95％CI,，-5.93至-1.84; P = .0003）,，CENPE在枕葉皮層中的表達較高（t127 = 3.69; 95％CI 1.72至6,。 10,； P = .0003）。精神分裂癥患者風險基因?qū)е禄?/span>-腦關聯(lián)減弱盡管精神分裂癥中對于殼核的結(jié)構神經(jīng)影像學結(jié)果不一致（無差異,，減少或擴大）,，但長期以來，這種結(jié)構與精神分裂癥中多巴胺合成能力的提高和額紋狀體連接紊亂有關,，并且是各種抗精神病藥物關鍵靶點,。為減少干擾因素，作者使用了未受影響的同胞（其患有精神分裂癥的遺傳風險較高,，但沒有臨床表現(xiàn)和治療效應的患者）來進一步驗證了精神分裂癥中rs13107325與殼核的關聯(lián),。作者假設與健康對照組相比,，rs13107325與殼核的關聯(lián)在患者和未患病的同胞中均明顯減弱。由于健康對照大的效應量（r = 0.3117; n = 272）,，效應分析估計95％CI,，以及顯著性水平時的樣本量為102（單尾）。因此,，LIBD研究中的患者（n = 157）和未患病的同胞（n = 149）有著足夠的樣本來檢測這種關聯(lián),。作者發(fā)現(xiàn)右半球中的rs13107325-殼核關聯(lián)在患者和未受影響的同胞中沒有統(tǒng)計學意義。這種異?？赡苁翘禺惖?，因為rs7182018-中央執(zhí)行網(wǎng)絡關聯(lián)在所有3組中均保持顯著。與健康對照組相比,，患者的rs13107325-殼核關聯(lián)顯著減弱（z = -3.05; P = .002）,。個人（z =-2.08; P = .04）。接下來,，作者證實同胞中的關聯(lián)也減弱了,。同時，病人組比同胞的這種關聯(lián)更弱,。
圖2.殼核SLC39A8的基因表達和擁有共同基因控制的殼核灰質(zhì)體積A,，單核苷酸多態(tài)性（SNP）rs13107325與SLC39A8鄰近基因的基因表達水平之間的關聯(lián)的統(tǒng)計學差異意義水平（Affymetrix探針是根據(jù)其起始堿基在4號染色體上的位置進行組織的）。B,，SNP rs13107325不同基因型的殼核SLC39A8基因表達水平之間的比較,。 C， 10個腦區(qū)的SLC39A8的基因表達水平（均值和95％置信區(qū)間）的比較,。D,，SNP rs13107325與10個腦區(qū)的基因表達之間的關聯(lián)模式。具有顯著關聯(lián)的基因（P <.0008,，通過Bonferroni校正：0.05 / 10/6）用基因名稱標記,。 bp表示堿基對。在此vGWAS中,，作者在青少年腦組織中發(fā)現(xiàn)了rs13107325和殼核的關聯(lián),，并在整個生命周期中證實了這種關聯(lián)。孟德爾隨機分析顯示,，核殼灰質(zhì)體積與無非遺傳混雜因素的精神分裂癥之間存在顯著相關性,。在患者的未受影響同胞中，發(fā)現(xiàn)rs13107325-殼核關聯(lián)明顯減弱,，這可能是由于精神分裂癥的遺傳風險所致,。總之，這些發(fā)現(xiàn)為精神分裂癥的病理學以及決定殼核灰質(zhì)體積的機制之間存在相互作用提供了新的且可以驗證的假設,。單核苷酸多態(tài)性rs13107325（位于SLC39A8的外顯子,，染色體4）編碼在質(zhì)膜和線粒體中表達的溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運蛋白ZIP8,。 SLC39A8跟精神分裂癥有關聯(lián)，這已通過大規(guī)模GWAS和全基因組DNA甲基化分析（從24名患者和24名正常被試腦中收集）得到證實,。自2012年以來,，學術界認為該基因可能參與了精神分裂癥的精神病理，并已證明其涉及免疫過程,，谷氨酸能神經(jīng)傳遞和大腦中必需金屬的平衡調(diào)節(jié),。有人推測SLC39A8與精神分裂癥之間的關聯(lián)可能與其在大腦發(fā)育過程中參與促炎性免疫反應有關。作者的發(fā)現(xiàn)強調(diào)了SLC39A8對核因子-κB（NFκB）通路的負調(diào)節(jié)是一種可能的因果機制,。NFκB通路誘導了與精神分裂癥癥狀相關的促炎基因（例如細胞因子）的表達,。在健康人群中，SLC39A8與殼核灰質(zhì)體積之間的強關聯(lián)可能與NFκB在大腦發(fā)育過程中對神經(jīng)元生長和神經(jīng)元形態(tài)的調(diào)節(jié)作用有關,。在精神分裂癥患者中,，這種減弱的關聯(lián)可能是由于基因和蛋白質(zhì)水平上的NFκB失調(diào)以及患者腦組織中的細胞核激活所致。rs13107325是一種錯義突變,，將丙氨酸（非極性）替換為甲腺原氨酸（極性）（Ala391Thy）,，導致ZIP8-Thy391將更少的金屬離子轉(zhuǎn)運到細胞中。因此,，在由大樣本GWAS發(fā)現(xiàn)與精神分裂癥風險有關的SNP rs13107325之后,，作者的結(jié)果表明精神分裂癥的分子病理學可能會破壞殼核發(fā)育過程中的神經(jīng)元離子介導的調(diào)控。IMAGEN樣本的1721個14歲健康青少年提供的效應大小比UKB樣本（6932）大3倍,。遺傳因素可以解釋多達80％的腦部解剖學的遺傳,，其中多達54％可以被大量的SNP解釋。然而,，根據(jù)以往文獻,，由單個遺傳變異解釋的方差百分比僅為0.52％。在這項研究中,，鑒定出的遺傳變異解釋了所觀察到的灰質(zhì)體積變化的4％以上,。對青少年大腦的如此大的單變量遺傳影響可能是由于在以往環(huán)境對其的累積影響較小。對同齡青少年的分析也許可以幫助作者解釋為什么這種新穎的關聯(lián)未能被以前納入不同年齡組的大規(guī)模meta分析所識別,。作者使用新穎的方法鑒定了一個新基因,，該基因同時與離子轉(zhuǎn)運蛋白和免疫反應相關，他們都與精神分裂癥發(fā)展有關的,。鑒于SLC39A8基因的主要功能可通過藥物操作而獲得,，作者認為這些結(jié)果對于發(fā)現(xiàn)精神分裂癥的新療法至關重要,。Association of a Schizophrenia-Risk Nonsynonymous Variant With Putamen Volume in Adolescents: A Voxelwise and Genome-Wide Association StudyQ Luo, Q Chen, W Wang, S Desrivières… - JAMA …, 2019 - jamanetwork.com 如需原文及補充材料請加微信：siyingyxf 獲取,如對思影課程感興趣也可加此微信號咨詢,。
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