JAMA Psychiatry：精神分裂症風險的非同義突變與青少年的殼核體積的關聯

2019 年 11 月 14 日
筆記

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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。在全球範圍內，已經造成了極大的經濟負擔和較高的致死、致殘率。據報道，目前中國的精神疾病負擔已經超過心腦血管疾病和惡性腫瘤，成為中國醫療體系的最大負擔。但是，與其他許多疑難雜症類似（如AD、PD等），精神分裂症的病理性成因至今難以明確。同時，全球範圍內，針對精神疾病康復和發病機制的研究也進展緩慢。腦影像數據和基因數據可能是突破其發病機制的關鍵證據，以往研究已經針對腦影像數據和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。那麼，精神疾病的基因表達和其異常的腦結構形態有無關係呢，針對此問題，相關研究者進行了探索性的研究，發現基因SLC39A8的錯義突變與殼核灰質體積增大有關。並且這種關係在精神分裂症患者身上明顯減弱。該研究發表在著名期刊《JAMA Psychiatry》。

研究意義 ：

青少年腦發育異常先於許多主要精神癥狀之前而發生。這種發育軌跡的異常可能與青少年的精神病理的遺傳風險有關聯。

目標：

本研究的目的是確定與青少年腦結構相關的基因變異，並探索它們二者關聯和精神病理的關係。

研究設計和樣本 ：

作者對一組14歲青少年進行了體素水平的全基因組關聯研究（GWAS），並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果。將基因與腦的關係在以下三組間進行對比：精神分裂症患者組，未受影響的同胞組和健康對照組。這個基於人口的、結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症患者和其未患病的同胞。數據分析再2015年10月至2018年4月間進行。

方法：

作者計算了樣本的腦灰質容量（腦影像）和基因變異（Illumina BeadChip的基因分型）。

結果：

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。重複驗證樣本包括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，該基因與精神分裂症有關）與殼核灰質體積增大有關（左側的方差解釋為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係得到了驗證，但是精分組(z = −3.05; P = .002; n = 157)和同胞組(z = −2.08; P= .04; n = 149)的腦與基因的關係減弱了。

結論：

作者的結果表明基因SLC39A8錯義突變與殼核灰質體積增大有關。這種關係在精神分裂症患者身上明顯減弱。這些結果提示異常的離子轉運在精神病病因中的作用，並為恢復該突變功能為目的先導干預治療提供了靶點。

背景介紹

青少年的腦發育經歷了結構的改變，如果這個正常的發育軌跡出現了異常可能是許多精神癥狀的基礎。青少年腦發育的生長模式的研究是通過縱向的神經影像研究來實現的，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育軌跡等。雙胞胎研究表明，在大腦發育的不同階段，遺傳力（或遺傳率）會發生區域特異性的變化，年齡和遺傳力的交互作用也會影像灰質體積。青少年大腦結構和患精神疾病風險的共同遺傳聯繫有待去揭示。

GWAS（全基因組關聯研究）的meta分析（大規模薈萃分析）是探索腦結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育的正常軌跡的資訊，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的統計效能，很重要就是調查年齡範圍較小的樣本。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，並評估了他們的遺傳力。他們的統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。使用基於圖譜的大腦分割可能會導致檢測遺傳關聯的一些其他缺陷，因為這樣定義的大腦區域可能在遺傳上是異質性的，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），並將體素級別的腦成像與全基因組關聯研究相結合。

大腦結構的遺傳關聯可以出現在特定的發育時期或存在於整個生命周期中。因此，遺傳因素可能會導致廣泛的神經解剖畸變，這些畸變在特定的發育時期或整個生命周期中都與心理病理學有關。為了驗證作者的發現並將作者發現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。這四個資料庫包括Saguenay青年研究（SYS），利伯大腦發展研究所樣本（LIBD），英國生物庫（UKB）和三城市研究（3C）。對於鑒定出的遺傳變異，作者測試了它們對腦組織中鄰近基因表達的調控。為了測試青少年大腦的遺傳關聯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。

研究方法

研究對象

探索樣本以及跨生命周期樣本

IMAGEN研究是一項基於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，來自基於人群的UKB隊列的6932位參與者以及來自基於人群的隊列研究3C樣本的515位健康的老年參與者。

臨床樣本

在LIBD的精神分裂症的研究中，作者調查了157例經過治療的慢性精神分裂症的患者以及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，德累斯頓工業大學，原子能與輔助能源委員會，德國漢堡大學醫學中心。對於SYS，所有參與機構的機構審查委員會都批准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症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計劃的機構審查委員會的批准。3C研究得到了比克特醫院倫理委員會的批准。每個隊列研究發布後，所有成年參與者均提供了書面知情同意書。對於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式的資訊後均提供了書面知情同意，而青少年在獲得書面資訊後也表示了同意。

方法

全基因組基因型數據

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。經過品質控制後，有466114個單核苷酸多態性（SNP）被確定進入以下的分析。有關基因分型和品質控制的詳細資訊，可在以往發表的文獻中，以及在補充方法中的eMethods 1中找到。

結構影像數據

根據針對IMAGEN研究修改的Alzheimer』s Disease Neuroimaging Initiative（ADNI）規程，利用來自3個製造商的3T磁共振掃描儀對研究對象進行了結構磁共振成像。使用SPM8對T1結構像進行了基於體素的形態計量分析（VBM）。預處理步驟包括，分割，空間標準化（MNI空間的Dartel template），調製和平滑化（8 mm FWHM）。

腦表達定量性狀位點資料庫

在UK Brain Expression Consortium（UKBEC）資料庫中，有134個無神經病理學病變的參與者的10個腦區的基因表達數據是可用的。對於基因上任何突變（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，作者繼續測試這種關聯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域之間的分析進行了多重比較校正（補編中的e方法7）。

統計分析

Voxelwise和全基因組關聯研究

在探索樣本中，作者對大腦中每個體素的灰質體積進行了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％置信區間內），作者認為該團塊具有統計學意義（Bonferroni校正，P <2.4483×10-13=0.05 / 438 145/466114）。然後將已識別的團塊視為感興趣區域，並將每個感興趣區域的灰質體積由該團塊內所有體素的灰質體積的和來計算得到。重複測試也主要是圍繞這幾個團塊展開的。作者通過3000次bootstraps來建立了統計數據的95％置信區間。

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基於GWAS匯總數據的孟德爾隨機化

對於已經確定的大腦結構，作者通過基於Web的應用程式（MR-Base）進行了基於匯總數據的孟德爾隨機化（SMR，MR是基於最基本的孟德爾遺傳規律，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精神分裂症的結果作為輸出，作者測試了確定的大腦結構與精神分裂症之間的關聯是否顯著，並且排除了非遺傳混雜因素。 SMR的顯著結果提示暴露（腦容量）和結果（精神分裂症）之間存在關聯。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與隨機臨床試驗的設計相仿。儘管SMR的陽性顯著結果需要進一步的生物學驗證，但陰性的結果至少可以表明缺乏關聯。

病人組，同胞組以及健康組的比較

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。為了將精神分裂症患者或同胞與健康對照者之間的關聯進行比較，作者使用相關係數估算了其效應量。感興趣區的灰質體積與SNPs之間的片相關性被確定（控制了年齡，年齡×年齡，性別，智商，總顱內體積以及灰白質體積與總顱內體積之比）。在獨立樣本之間，作者比較了效應量（即偏相關係數，轉換為z統計量後）。95％單側CI的上限由3000個放回的bootstraps確定，分別用於患者及其匹配的未受影響同胞的2個偏相關分析中中。

結果

人口統計學

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樣本（其中4497名是女孩[51.8]％]）的年齡範圍在12至92歲之間。臨床樣本包括157例精神分裂症患者（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

精神分裂症風險SNP rs13107325與殼核體積的關係

將基於體素的分析和GWAS（vGWAS）應用於探索樣本，作者發現SNP rs13107325的次要T等位基因（基因SLC39A8中的錯義突變）與雙側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％），並且這些團塊在左右半球之間是不對稱的（圖1A-C）。此外，作者發現SNP rs7182018的minor Gallele（lncRNA RP11-624L4.1的內含子變體）與雙側中央溝（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個團塊的灰質體積增大相關。

rs13107325與精神分裂症相關（2014年PsychiatricGenomics Consortium [phase 2] GWAS）。SMR結果確定了殼核的灰質體積與精神分裂症之間的關聯（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分析未發現中央溝與精神分裂症之間存在關聯，作者推測rs7182018與精神分裂症無關（圖3）。

圖1. 體素和GWAS關聯

注釋：大腦每個體素的灰質體積與SNP rs13107325（A和C）或rs7182018（D和E）之間的顯著關聯（-log10 P）。紅色表示較強的關聯，而藍色表示較弱的關聯。

B，經過Bonferroni校正的四個團塊（P <2.45×10-13，由0.05 / 466114 [SNP數] / 438 145 [體素數]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和關聯的體素與基因表達的具體關係

圖3. 全腦探索性分析發現的與GWAS相關的中央溝和殼核相關的基因表達

跨生命周期的獨立樣本重測

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，作者在左側殼核中複製了探索樣本中發現的SNP rs13107325正相關關係（t964 = 3.70； P = 1.16×10−4），但沒有發現右側殼核中的這種關聯（t964 = -1.73; P = .08）。右側殼核的團塊顯著受到SYS樣本中島葉皮質的較大變化的影響：一部分島葉皮質被映射到該團塊中。

使用UKB樣本（平均[SD]年齡為62.64 [7.41]年；n = 6932），作者重複了rs13107325與殼核灰質的正相關關係（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％）。由於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應用於全腦，並進行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現的正相關關係。

rs13107325與殼核SLC39A8低表達的關係

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）資料庫，作者發現風險等位基因（T）atrs13107325的攜帶者表現出SLC39A8的較低表達（t127 = -3.87; 95） CI（％6.5–1.73; P = .0002）（圖2A和B）。此外，作者發現儘管SLC39A8（圖2C）在腦內廣泛表達，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），作者還發現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）。

精神分裂症患者風險基因導致基因-腦關聯減弱

儘管精神分裂症中對於殼核的結構神經影像學結果不一致（無差異，減少或擴大），但長期以來，這種結構與精神分裂症中多巴胺合成能力的提高和額紋狀體連接紊亂有關，並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（其患有精神分裂症的遺傳風險較高，但沒有臨床表現和治療效應的患者）來進一步驗證了精神分裂症中rs13107325與殼核的關聯。

作者假設與健康對照組相比，rs13107325與殼核的關聯在患者和未患病的同胞中均明顯減弱。由於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。作者發現右半球中的rs13107325-殼核關聯在患者和未受影響的同胞中沒有統計學意義。這種異常可能是特異的，因為rs7182018-中央執行網路關聯在所有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也減弱了。同時，病人組比同胞的這種關聯更弱。

圖2.殼核SLC39A8的基因表達和擁有共同基因控制的殼核灰質體積

A，單核苷酸多態性（SNP）rs13107325與SLC39A8鄰近基因的基因表達水平之間的關聯的統計學差異意義水平（Affymetrix探針是根據其起始鹼基在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個腦區的SLC39A8的基因表達水平（均值和95％置信區間）的比較。

D，SNP rs13107325與10個腦區的基因表達之間的關聯模式。具有顯著關聯的基因（P <.0008，通過Bonferroni校正：0.05 / 10/6）用基因名稱標記。 bp表示鹼基對。

討論

在此vGWAS中，作者在青少年腦組織中發現了rs13107325和殼核的關聯，並在整個生命周期中證實了這種關聯。孟德爾隨機分析顯示，核殼灰質體積與無非遺傳混雜因素的精神分裂症之間存在顯著相關性。在患者的未受影響同胞中，發現rs13107325-殼核關聯明顯減弱，這可能是由於精神分裂症的遺傳風險所致。總之，這些發現為精神分裂症的病理學以及決定殼核灰質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。

單核苷酸多態性rs13107325（位於SLC39A8的外顯子，染色體4）編碼在質膜和線粒體中表達的溶質載體轉運蛋白ZIP8。 SLC39A8跟精神分裂症有關聯，這已通過大規模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症的精神病理，並已證明其涉及免疫過程，谷氨酸能神經傳遞和大腦中必需金屬的平衡調節。

有人推測SLC39A8與精神分裂症之間的關聯可能與其在大腦發育過程中參與促炎性免疫反應有關。作者的發現強調了SLC39A8對核因子-κB（NFκB）通路的負調節是一種可能的因果機制。NFκB通路誘導了與精神分裂症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與殼核灰質體積之間的強關聯可能與NFκB在大腦發育過程中對神經元生長和神經元形態的調節作用有關。在精神分裂症患者中，這種減弱的關聯可能是由於基因和蛋白質水平上的NFκB失調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運到細胞中。因此，在由大樣本GWAS發現與精神分裂症風險有關的SNP rs13107325之後，作者的結果表明精神分裂症的分子病理學可能會破壞殼核發育過程中的神經元離子介導的調控。

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體積變化的4％以上。對青少年大腦的如此大的單變數遺傳影響可能是由於在以往環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麼這種新穎的關聯未能被以前納入不同年齡組的大規模meta分析所識別。

結論

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運蛋白和免疫反應相關，他們都與精神分裂症發展有關的。鑒於SLC39A8基因的主要功能可通過藥物操作而獲得，作者認為這些結果對於發現精神分裂症的新療法至關重要。

原文：