染色体22q11 microRNAs缺失与精神分裂症

周亚楠 翟金国 魏钦令

精神分裂症是一种病因尚未阐明的终身性多基因遗传病，随着分子生物学的发展，学者们开始从遗传方向寻找精神分裂症的病因。目前microRNAs在精神分裂症病因学中所起的作用越来越被认可，国内外研究发现microRNAs在精神分裂症相关脑区丰富表达，在神经细胞的增殖、发育、分化、凋亡以及突触塑形过程中发挥着重要的作用，影响大脑发育和功能。而在22q11缺失诱发的精神分裂症中存在microRNA介导的异常调节，22q11缺失导致这一异常调节的初步候选序列主要包括DGCR8和MIR185，可能与精神分裂症的发病机制有关。

一、microRNA与22q11微缺失精神分裂症

1. microRNA简介

microRNAs是一类由约21～25个核苷酸组成的短序列非编码RNAs，具有高度保守性。microRNAs基因在细胞核内由RNA聚合酶Ⅱ转录成较长的初级RNAs(pri-microRNAs)，长达50～120个核苷酸，含有5′-帽子和3′-PolyA尾巴结构，呈特殊的发卡形茎环，再经过复杂的微处理器(主要由核酸内切酶Ⅲ-Drosha和辅助因子DGCR8组成)的识别和作用，将Pri-microRNAs去除帽子和尾巴结构，转换成含有60～75个核苷酸的microRNAs前体(pre-microRNAs)，然后由Exportin-5输出至胞浆内，核酸内切酶Ⅲ-Dicer和反式激活应答RNA结合蛋白(transactivator RNA-binding protein，TRBP)复合物对其进行切割，形成较短的microRNAs双链，然后双链降解为长约22个核苷酸的小分子单链RNAs，即成熟的microRNAs[1]。Dicer和其他的RNA结合蛋白如Ago2、PACT及TRBP成熟microRNAs双链中的一条链整合至RNA诱导沉默复合体(RNA induce silencing complex,RISC)，microRNA关联的RISC与靶向mRNA结合从而抑制翻译或导致mRNA的降解[2]。此外，microRNAs很大程度上还能通过与3′-端非翻译区的互补序列进行碱基配对导致翻译的抑制或mRNA的降解从而有力的控制基因的表达[3]。一个microRNA通常可以控制几百个靶向mRNAs，而一个mRNA也可以被多个microRNA协同调控，microRNA整合细胞内多种不同的信号并调控各种信号通路[4]。

在哺乳动物的大脑中microRNA有丰富的表达，尤其是大脑前额叶皮质及海马内，而大脑前额叶皮质和海马这些脑区是与精神分裂症的发生密切相关的脑区[5]，microRNA在大脑皮质及海马神经元的发育、功能及功能性过程中具有重要的调节作用，microRNA的失调会使神经精神性疾病的发病机制受到影响，而22q11缺失的小鼠模型已经证明了大脑中microRNA生物合成的改变[6]。

2. 22q11与精神分裂症关系密切的微缺失区域

22q11缺失症已成为已知的精神分裂症最高危险因素，22q11缺失症患者一生中患精神分裂症的风险约为22.5%[7]，而50例精神分裂症患者中就有1例患有22q11缺失症，比例从0.3%上升到了2%[8]，在儿童期发病的精神分裂症患者中，22q11缺失症的发病率更高(5.7%)[9]，精神分裂症与22q11缺失症已有着明确的关系，与22q11缺失症有关的青少年中，有一半被报道有精神病性体验，而受其影响的成人高达1/3被诊断为精神分裂症[10]。

22q11位于22号染色体一区一带，22q11缺失综合征是22号染色体q11区域染色体长臂上半合子的缺失引起的，它是一种递归结构的变异，22q11缺失的大小是不同的，约90%的22q11缺失的大小为3Mb，包括60个已知基因，剩余10%的22q11的缺失大小为1.5Mb，包括35个基因[11]，所有的缺失都是由于非等位基因的同源重组，它们都是由低拷贝重复序列介导的，尽管22q11缺失的表型高度不同，但它的严重程度与缺失的大小无关。相关研究表明较小的1.5Mb的22q11微缺失区域是精神分裂症的关键区域[12]。

已有研究利用基因工程建立了动物实验模型[Df(16)A+/-]。该模型为小鼠16号染色体伴有1.3Mb区域缺失的小鼠模型，该区域几乎包含了人类22q11上1.5Mb区域所有基因的同源基因[5]。最近在Df(16)A+/-小鼠模型中的研究已经对22q11微缺失症诱发精神分裂症的潜在生物学机制的理解产生了突破。被设计好的小鼠携带一个杂合染色体的缺失，这段缺失横跨相当于人类22q11位点的同一染色体的一部分。Df(16)A+/-小鼠显示出海马神经元突触连接的缺陷，包括较低密度的树突棘和谷氨酸能突触[13]。另外，Df(16)A+/-小鼠展示出极度活跃的行为和在空间学习记忆依赖性学习上的缺陷[5]。这个动物模型深层的特征表明22q11微缺失导致了大脑microRNAs生物合成的改变[5]。

Merico等[14]的研究发现在典型的22q11微缺失区域有7个公认的编码的microRNAs初步编码序列,它们分别是：miR-185、miR-649、miR-1286、miR-1306、miR-3618、miR-4761、miR-6816。除了miR-185以外，目前还没有关于其它六个microRNA的书面报道。迄今为止，关于22q11微缺失诱发精神分裂症的动物模型和人类microRNAs的研究都集中在较小的1.5Mb缺失区域的DGCR8，相比之下，对于同为1.5 Mb缺失区域的MIR185也有较小程度的研究，DGCR8编码microRNAs生物合成的微处理器的一个重要亚基[15]，MIR185基因编码microRNA185。这两个基因都位于22q11上较小的1.5Mb缺失区域[12]。

二、DGCR8在microRNAs介导的异常调节中的作用

已有研究表明DGCR8基因的活性可以控制micro-RNA的细胞水平，DGCR8基因的单倍剂量不足或者DGCR8去除会导致pri-microRNA显著升高，而功能性的、成熟的micro-RNA的表达随之降低[5,16]。在体内DGCR8的敲除被用作一种分子工具去抑制micro-RNAs的合成，由此揭示了micro-RNAs依赖性生理学过程。

1. DGCR8在microRNAs介导的异常调节中对前额叶第Ⅴ层椎体神经元结构和功能的影响

早先就有研究报道DGCR8单倍剂量不足小鼠(DGCR8+/-)脑内micro-RNAs表达降低表现出22q11缺失相关的皮质异常，认知、行为的改变，前额叶皮质短期可塑性的改变，树突棘的改变及海马树突复杂性的降低。最近有研究阐述了DGCR8+/-小鼠micro-RNAs表达的降低是如何影响大脑皮质神经元的功能和发育的。

Schofield等[17]证明了micro-RNAs表达的降低在新生DGCR8+/-小鼠中没有被观察到，而是出现在出生后的发育中。研究发现DGCR8+/-小鼠内侧前额叶的第Ⅴ层椎体神经元出现电性能的改变、基底神经元复杂性的降低及兴奋性突出传递降低。在DGCR8+/-小鼠micro-RNAs生物合成的降低和特定的神经生理性缺陷是一致的，包括出生后发育期间电性能的改变和兴奋性突触后放电频率的降低。椎体神经元的形态测定分析揭示基底树突分支长度和复杂性的降低，这个发现与电生理的改变相一致。大脑皮质是哺乳动物高级认知的脑区，不可分割的皮质功能是兴奋性和抑制性神经元相互联系的网络，它的活性和联系通过胚胎和后天发育出现和加强。皮质神经元的发育需要特殊基因的共同表达，这些基因塑造了重要的生理和结构的特性，包括树突分支、γ-氨基丁酸能和谷氨酸能突触的形成，这些发育的失调有改变神经元功能和中断皮质环路的潜能，已有报道证明精神分裂症患者大脑前额叶皮质环路的改变[18]。这些结果证明了在后天发育期间第Ⅴ层椎体神经元的成熟过程中及前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)环路发育中，DGCR8依赖性micro-RNAs精确表达的重要性。

与Schofield等的研究相一致，Fénelon等[19]在2011年的的研究也揭示了DGCR8+/-小鼠电性能的改变和前额叶皮质Ⅴ层椎体神经元基底树突在结构上棘的变小。除此之外，他们还发现第Ⅱ层和第Ⅳ层椎体神经元的数目整体上是减少的。除了结构性的变化，在表面的皮质层施加50 Hz的短暂刺激期间，第Ⅴ层前额叶皮质的全细胞电生理记录显示了更强的突出抑制，它伴随着突触增强初期阶段的减弱。Hsu等[20]的研究发现皮质椎体神经元DGCR8的丢失导致了前额叶皮质小清蛋白中间神经元非细胞自主性的减少，伴随着抑制性突触传递的严重缺陷和抑制性突触的相应减少。这些改变可能存在功能性联系并涉及以观察到的认知和行为的缺陷，它们也解释了在精神分裂症患者中观察到的前脉冲抑制的改变。Fénelon等[21]在2013年用22q11缺失诱发的精神分裂症小鼠模型评估了这种基因的病变是如何在突触、细胞和分子水平影响皮质神经环路的。他们证明了变异小鼠在高频突触传递和短期可塑性的缺陷以及长期可塑性和树突棘稳定性的改变。除了之前报道的Ⅴ层椎体神经元树突复杂性的减少，在相对局限的背景下发生突出可塑性的改变以及在神经元密度和抑制性神经元数量上发生改变。他们确定了在Pri-microRNAs加工过程中DGCR8依赖性缺陷，并确定了在基因表达和RNA拼接上的改变，RNA拼接可能是这些变异效应的基础。DGCR8水平的降低似乎是前额叶皮质短期可塑性的和工作记忆改变的主要驱动力，但不是长期可塑性和细胞结构改变的驱动力。他们的发现表明了精神疾病工作记忆障碍的皮质突触和神经元机制。

2. DGCR8在microRNAs介导的异常调节中对中间神经元和海马神经元结构和功能的影响

最近Toritsuka等[22]研究发现22q11DS(22q11缺失症)小鼠模型中存在中间神经元和海马齿状回的发育缺陷，而DGCR8的缺失导致了这些神经发育的异常，DGCR8调节Cxcr4/Cxcl12(趋化因子受体4/趋化因子配体12)信号，Cxcr4/Cxcl12介导的microRNAs的调节对中间神经元和海马齿状回的发育是必不可少的。他们从散发的精神分裂症观察到嗅觉神经元Cxcl12表达的降低，整体研究表明Cxcr4/Cxcl12信号可能代表精神分裂症病理生理学中一个常见的下游媒介物。

与Toritsuka等同时期，Ouchi等[23]发现小鼠中DGCR8杂合子的缺失导致了成人海马细胞增殖和神经发生的减少以及海马依赖性学习的损害。而海马的解剖学、组织学和功能改变在精神分裂症患者中持续被报道。在DGCR8+/-小鼠的海马，一些精神分裂症相关的基因下调，其中的一个基因Igf2(胰岛素样生长因子2)拯救了体内外神经干细胞的增殖，最近发现Igf2在记忆的巩固和条件恐惧记忆的消退等海马功能中起着重要作用。此外，Igf2改善了DGCR8+/-小鼠的空间工作记忆缺陷。这些数据表明有缺陷的神经发生导致了在22q11缺失诱发的精神分裂症中观察到的认知障碍，这些损害可以被Igf2修复。

DGCR8究竟调节哪种特殊的microRNAs还是一个有待于研究的问题。DGCR8+/-小鼠的研究[5]确定了在前额叶皮质有59种下调的microRNAs，在海马有30种下调的microRNAs。这些下调的microRNAs包括miR-185，它位于22q11的1.5Mb缺失区域中[24]。

三、MIR185在microRNAs介导的异常调节中的作用

22q11DS小鼠模型研究已经确定miR-185作为高度下调的microRNA存在于在与精神分裂症相关联的脑区[5]。最近Xu等[25]的一项研究证实了在Df(16)A+/-小鼠的海马和前额叶皮质中miR-185的表达严重的减少。同时它还表明了miR-185的减少导致了海马神经元树突复杂性和树突棘发育的缺陷。另外，在DGCR8+/-小鼠中观察到DGCR8的缺陷导致了海马中miR-185大约20%的减少，这表明在Df(16)A+/-小鼠中成熟的miR-185表达的严重减少可能是由于miR-185基因半合子和DGCR8缺陷导致的从剩余的复制中产生的pri-mir-185转录物成熟物的受损引起的。比预期的减少更为显著，在基因剂量上它降低了50%，miR-185表达的大量减少表明了miR-185在被22q11.2微缺失影响到的基因中的独特性。

Earls等[26]在22q11DS小鼠模型中证实了MIR185是肌浆网钙泵(SERCA2)的调节器，SERCA2负责将Ca2+转运到内质网(ER)中，从而维持了内质网的Ca2+水平。MIR185的损耗导致了SERCA2的上调，同时它被认为是导致22q11DS小鼠模型中海马突触可塑性异常的机制。ER中Ca+转运的增加导致了神经递质释放的增强和和海马长时程增强(long-term potentiation, LTP)的增加。22q11DS小鼠模型表明了海马长时程增强呈年龄相关性增长，LTP是突触可塑性的一种形式，这种突触可塑性是学习和记忆的基础。然而22q11微缺失导致SERCA2的过度表达和LTP增加的机制并未被确定。Earls等在22q11缺失症小鼠模型Df(16)1/+所有测试的脑区(包括海马、大脑皮层和小脑，不包括非神经组织)中发现SERCA2水平是升高的，他们将精神分裂症患者前额叶皮质和海马后期组织样本中的SERCA2水平与未受影响的对照组做了比较，结果发现精神分裂症患者这两个脑区的SERCA2水平是升高的，考虑到小鼠神经元中SERCA2水平的升高与严重的表型相关联，这个发现表明了SERCA2蛋白质水平的升高可能在精神分裂症中导致神经缺失。这为在小鼠模型中的发现和人类疾病之间提供了一种联系，这些结果表明中枢突触中micorRNA介导的SERCA2的上调可能是22q11DS和特发性精神分裂症之间联系的机制。

有研究发现RhoA、Cdc42已被验证是miR185的两个靶点[27]。这两个基因与精神分裂症表达水平的改变有关[28]，从而进一步支持了miR185参与了精神分裂症。RhoA[28]是RhoGTPasee家族的一员，它调节肌动蛋白细胞骨架的不稳定，RhoA的激活导致树突分支数量和树突棘密度的减小。Cdc42也是RhoGTPasee家族的一员，它通过调节肌动蛋白细胞骨架聚合成丝状伪足促进树突棘的形成[28,29]。另外，以基因为基础的测试揭示了三个miR185靶基因(ATAT1、SH3PXD2A、NTRR3)的常见变体与精神分裂症之间的联系。

最近Forstner等[30]在精神分裂症患者和正常对照组中运用小鼠和人类基因学方法的基因表达分析对精神分裂症中miR185的作用做了进一步的研究。小鼠的原位杂交揭示了在与精神分裂症有关的脑区miR185的表达，基因测试显示了3个miR185靶基因的常见变种与精神分裂症之间存在联系。进一步的分析揭示了这些靶基因和miR185有重叠的表达模式，但是人类基因学分析并没有找到精神分裂症中涉及miR185 的证据，然而小鼠中miR185和它的靶基因的表达模式以及三个靶基因的联系结果表明精神分裂症中涉及miR185和它的下游通路的进一步研究是有必要的。

四、总结与展望

精神分裂症是一种与神经回路和突触功能失调相关的精神疾病。microRNAs在精神分裂症涉及的额叶皮质和海马等着重要脑区丰富表达，它整合了不同的细胞内信号并调节信号通路，microRNAs介导的异常调节会导致这些关键脑区神经细胞发育和突触形成的异常，影响大脑的发育和功能，从而导致在22q11缺失症诱发的精神分裂症中观察到的异常表型。利用基因表达分析等在基因水平上研究microRNAs与精神分裂症之间的关系，可以更深入地探讨22q11缺失诱发的精神分裂症的发病机制。具有挑战性的进一步研究将是用一种更全面的方法去识别和验证受microRNAs异常调节影响的靶基因和他们各自的通路。这样的研究将会提高我们对microRNAs调控的基因网络是如何导致22q11缺失诱发精神分裂症的病理生理学的理解。目前22q11缺失诱发的精神分裂症中关于microRNAs异常调节机制的研究还存在局限性，相关的药物研究还很少，这也为人们研制抗精神病药物靶点提供了机遇和挑战。