精神分裂癥分子遺傳機制解析新進展

　　精神分裂癥（Schizophrenia）是一種常見的（終生患病率約為1%）重性精神疾病，其臨床特征包括錯覺、幻覺、妄想、缺乏動力、認知障礙等。基于雙生子的遺傳學研究提示精神分裂癥遺傳力約79-81%，表明遺傳因素在精神分裂癥中具有重要作用。目前全球各地已經開展了系列大規模的全基因組關聯研究（Genome-wide association studies, GWASs），報道了上百個與精神分裂癥顯著相關的單核苷酸多態性位點（Single nucleotide polymorphisms, SNPs）。GWASs發現的絕大多數精神分裂癥風險遺傳變異位于非編碼區，提示這些風險遺傳變異很可能是通過調控基因表達而非改變蛋白質結構或功能來影響精神分裂癥易感。因此，發現和鑒別已報道的精神分裂癥風險基因座（Loci）中具有調控作用的功能（或致病）遺傳變異及闡明其分子調控機制將為精神分裂癥的遺傳分子機制解析提供重要數據。

　　大規模的GWASs表明2q33.1風險基因座中遺傳變異與精神分裂癥顯著相關。由于連鎖不平衡（Linkage disequilibrium, LD）和基因表達調控的復雜性，風險基因座中P值最小的遺傳變異大都不是致病遺傳變異。因此，確定風險基因座中的功能遺傳變異是后GWAS時代的一個挑戰。羅雄劍課題組前期利用功能基因組學（Functional genomics）方法從已經報道的108個精神分裂癥風險基因座中鑒別到132個功能SNPs（Nature Communications, 2019），其中2個功能SNPs（rs796364、rs281759）位于2q33.1區域，且rs796364影響轉錄因子CTCF和RAD21結合，rs281759影響轉錄因子FOXP2結合。

　　為了進一步闡明這2個功能遺傳變異在精神分裂癥中的潛在作用和機制，羅雄劍課題組開展了系列研究。遺傳學研究首先證實這2個功能遺傳變異在東亞人群中與精神分裂癥顯著相關，且來自于ENCODE的ChIP-Seq、DNase-Seq及組蛋白修飾數據表明這2個功能遺傳變異位于具有轉錄活性調控區域（即調控元件）內，并與CTCF、RAD21和FOXP2轉錄因子結合。進一步的雙熒光素酶報告基因實驗、凝膠遷移阻滯實驗（Electrophoretic mobility shift assay, EMSA）、人類大腦表達數量性狀基因座（Expression quantitative trait locus, eQTL）分析、CRISPR-Cas9介導的基因組編輯、轉錄因子敲降實驗以及腦部Hi-C數據表明rs796364和rs281759可能通過干擾CTCF、RAD21和FOXP2結合來調控遠端基因TYW5表達。有趣的是，和正常人相比，TYW5在精神分裂癥患者腦中表達顯著上調，提示TYW5在精神分裂癥中具有重要作用。神經干細胞實驗進一步揭示TYW5過表達影響細胞增殖和分化，表明TYW5在神經發育中具有重要作用。同時，神經元樹突棘形態分析發現TYW5過表達影響樹突棘密度和比例，表明TYW5在神經元樹突棘形成中可能發揮重要作用。最后，TYW5過表達與正常神經干細胞的轉錄組分析提示其差異表達基因主要富集在DNA復制等生物學通路中，且KEGG分析提示TYW5調控與精神分裂癥相關信號通路，包括細胞外基質（ECM）受體互作通路、黏附斑（Focal adhesion）和PI3K-Akt通路。綜上，本研究表明功能遺傳變異rs796364和rs281759可能通過影響轉錄因子（CTCF、RAD21和FOXP2）結合來調控遠端基因TYW5表達，進而影響神經發育和樹突棘形態發生，最終導致精神分裂癥易感。

　　該研究近期以“Regulatory variants at 2q33.1 confer schizophrenia risk by modulating distal gene TYW5 expression”為題發表于Brain雜志。中科院昆明動物所李世武副研究員、李嬌碩士研究生（2020年6月畢業）以及劉杰偉助理研究員為本文的共同第一作者，羅雄劍研究員為文章的通訊作者。該研究獲得“云南省科技廳重點項目”、“中國科學院戰略性先導科技專項培育項目”、“云南省科技廳創新團隊項目”、“云南省科技廳杰出青年項目”、“國家自然科學基金面上項目”、“中國科學院西部之光創新團隊項目”和“中國科學院西部之光項目”的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1093/brain/awab357

　　圖1：精神分裂癥風險基因座2q33.1的分子機制解析模式圖