CACNA1C基因在精神障碍中的遗传影像学研究进展☆

苏文君 王继军

精神分裂症（schizophrenia，SZ）、双相情感障碍（bipolar disorder，BD）等精神障碍具有高度遗传性特征[1-3]。电压门控 Ca2+通道 α-1C亚通道 （calcium voltage-gated channel subunit alpha1 C，CACNA1C）基因作为精神障碍的风险基因，其全基因组显著性已经在全基因组关联研究（genomewide association study，GWAS）中得到反复证实[1-3]。 遗传影像学技术结合多模态影像学和遗传学的方法，通过观察并量化遗传背景下的脑影像特征，将分子细胞水平发现与系统水平发现联系起来，比行为学测量结果表现出更高程度的外显性[4]。该方法可以用于探讨精神障碍的病理生理学机制，进一步解释遗传变异影响精神障碍易感性的机制，为开发其个体化治疗的新靶点提供研究基础[5]。近年来有许多从遗传影像学角度探讨精神障碍中CACNA1C基因对脑结构及功能影响的研究，本文对其做以综述。

1 CACNA1C基因简介

CACNA1C基因位于12号染色体短臂（12p13.3），也称为Cav1.2，编码 α-1C亚基，该蛋白是电压门控L-型 Ca2+通道（L-type calcium channel，LTCC）的组成部分，在中枢神经系统中广泛表达[6]，并在学习和空间记忆、情景记忆、恐惧记忆、树突发育以及神经元连接的形成、退化和修饰等过程中发挥重要作用[6-10]。LTCC通过调节可兴奋性细胞的膜电位而调控Ca2+内流[6]，Ca2+通过LTCC在突触后神经元内流，激活环磷腺苷效应元件结合蛋白 （cyclic adenosine monophosphate response element binding，CREB） 磷酸化，CREB与脑源性神经营养因子 （brain derived neurotrophic factor，BDNF）内的 Ca2+反应元件结合并调控基因转录，从而在学习和记忆过程中发挥重要作用[7-8]。LTCC还调控非N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）依赖的长时称增强（long-term potentiation，LTP）而影响突触可塑性[8]。动物研究显示，CACNA1C基因沉默的小鼠表现出海马CA1区域非NMDAR依赖的LTP缺失[9]；暴露于新环境的小鼠CA1区域CACNA1C表达下调，而恐惧情景下齿状回的CACNA1C表达上调[7]，提示CACNA1C在空间记忆、情景记忆和恐惧记忆形成中发挥作用[7-9]。此外，LTCC还在树突发育以及神经元连接的形成、退化和修饰中发挥重要作用[10]。CACNA1C基因变异中最显著、可复制性最强的精神障碍风险相关单核苷酸多态性 （single nucleotide polymorphism，SNP） 为rs1006737[8，11]，该突变影响CACNA1C的mRNA表达和Cav1.2电流密度[12-13]。多项研究显示，rs1006737单倍体型影响脑灰质体积、皮层厚度和白质完整性，以及执行工作记忆和注意等任务时的区域激活和功能连接等[14]。

2 CACNA1C基因对脑结构的影响

2.1 CACNA1C基因对白质的影响弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）为探究白质完整性的重要手段之一。越来越多影像学研究表明，白质完整性缺损是SZ的核心特征之一[15]。有研究表明，SZ发病与白质部分各向异性（fractional anisotropy，FA）降低显著相关，且 83.4%的相关性是由于遗传因素所致[16]。ROMME等[17]对43个GWAS报告达到全基因组显著性（P＜5×10-8）的SZ风险基因进行研究发现，SZ风险基因高表达脑区与白质失连接脑区有显著重叠，其中相关性最显著的基因群是神经元Ca2+信号通路相关的基因群，提示Ca2+通道在SZ患者白质缺损的病理生理学机制中发挥重要作用。MALLAS等[18]对63例SZ患者、43例BD患者和 124名健康对照（healthy control，HC）进行DTI研究，结果显示CACNA1C对白质FA值的主效应或基因型与临床亚型的交互作用均没有统计学意义。在SZ患者中，风险等位基因（AA+AG）携带者与常见等位基因纯合子（GG）携带者相比，左侧枕中回、左侧海马旁回、右侧小脑、左视放射、左侧颞回的FA值更低，而在BP和HC中二者没有差异[18]。而WOON等[19]对96例SZ患者和64名HC研究发现，在左侧额叶、左侧顶叶和左侧颞叶存在基因型和临床亚型的交互作用。DIETSCHE等[20]对健康被试的研究也发现风险等位基因（AA+AG）携带者与常见等位基因纯合子（GG）携带者相比FA值更低，但存在差异的主要区域为右侧海马。这些不一致的结果可能是分析方法及样本量差异所致。

2.2 CACNA1C基因对灰质的影响WOLF等[21]对SZ、BD、强迫症患者及HC共72例被试进行研究，结果显示SZ组中，常见等位基因纯合子（GG）携带者左右半球杏仁核灰质的体积显著小于风险等位基因（AA+AG）携带者[21]。这可能是由于Cav1.2调控树突生长相关基因（如BDNF）依赖神经元活动的转录过程，从而影响了杏仁核环路的突触可塑性[22]。SOEIRO-DE-SOUZA 等[23]对 117例 BD I型患者研究显示，风险等位基因（AA+AG）携带者眶额部皮质中线部（medial orbitofrontal cortex，mOFC）的皮层厚度更高。 作为内侧前额叶的重要成分，mOFC与边缘区域和前额叶（prefrontal cortex，PFC）旁区存在广泛连接，并在 BD的情绪调节中发挥着重要作用[23]。FRAZIER等[24]的研究也显示，CACNA1C对灰质的影响主要集中在额叶—边缘系统，且与认知功能显著相关。提示CACNA1C与BD的核心症状存在密切关联。WANG等[25]对55名健康被试的研究结果也显示风险等位基因（AA+AG）携带者的灰质体积较大，但主要区域在皮质边缘额颞神经系统。这可能是Cav1.2对细胞凋亡相关基因B细胞淋巴瘤2基因（B-cell lymphoma 2，BCL2）的调节作用所致，该蛋白在皮质边缘额颞系统中发挥着神经营养和神经保护的重要作用[25]。而FRANKE等[26]对585名健康被试进行研究发现，CACNA1C基因的rs1006737对灰质体积无影响，而其下游的一个SNP簇（rs2051992、rs2239050、rs7959938） 与脑干体积增加显著相关。脑干是多巴胺、五羟色胺等许多在精神障碍中有重要影响神经递质的主要合成场所，其功能与SZ患者的睡眠障碍和行为紊乱 （如注意和警觉下降）密切相关。提示CACNA1C对SZ病理生理学机制的影响存在多效型。

3 CACNA1C基因对脑功能的影响

3.1 CACNA1C基因对情景记忆的影响 考虑到Cav1.2对突触可塑性及学习和记忆过程的影响[7-8]，关于CACNA1C的功能态磁共振 （functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究主要关注额叶—边缘系统。fMRI研究情景性记忆的任务通常包括编码、回忆和识别三个环节。ERK等[27]用fMRI探究rs1006737对健康被试海马功能的影响，结果显示与常见等位基因纯合子（GG）携带者相比，风险等位基因（AA+AG）携带者在执行回忆任务时双侧海马和前扣带旁回（perigenual anterior cingulate，pgACC）激活减弱，且左右海马之间的功能连接减弱[27]。pgACC区域在心境障碍发展中具有至关重要的作用。在记忆储存过程中，pgACC会提取适合任务的信息，抑制不适当信息，从而集成和控制来自边缘区域的信息[28]。为进一步从海马和pgACC功能紊乱的角度探究rs1006737对精神障碍遗传风险的影响，ERK等[29]又进一步对188名精神障碍患者的健康一级亲属（59名 BD亲属、73名抑郁症亲属、56名 SZ亲属）和110名HC进行研究。结果显示相对于HC，所有的一级亲属都表现出海马和pgACC激活减弱，而风险等位基因（AA+AG）携带者的这些区域激活减弱更显著[29]。一级亲属同时也表现出抑郁和焦虑评分显著增加，其中BD的一级亲属左侧海马激活与焦虑和抑郁评分呈负相关[29]。尽管此结果中不同等位基因对海马功能相关的行为学表现并无影响，但足以说明该SNP对海马激活的影响。且证明疾病风险增加是因为海马功能损害增加，而非情节记忆本身受损。这同时也印证了遗传变异对脑结构和功能的影响比行为学水平影响更外显的观点[4]。而KRUG等[30]对健康被试的研究结果显示，常见等位基因纯合子（GG）在编码和检索中右侧海马的激活较A等位基因携带者更显著。三项研究结果不完全相同也提示，遗传影像学研究具有异质性，有可能是由于不同范式和不同人群等因素的影响。

3.2 CACNA1C基因对工作记忆的影响BIGOS等[31]用nback范式研究rs1006737与执行工作记忆任务时脑区激活的关系。其结果显示，316名HC中，风险等位基因纯合子（AA）携带者在执行工作记忆任务时右侧背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）激活增加。 同时该研究在尸脑中发现，CACNA1C风险等位基因纯合子（AA）的mRNA表达水平最高，杂合子（GA）居中，而常见等位基因纯合子（GG）最低[31]。提示CACNA1C对脑功能影响可能是通过对转录水平的调控来实现。而PAULUS等[32]的研究结果与之相反：与G等位基因携带者相比，风险等位基因纯合子（AA）在执行n-back范式时右侧 DLPFC激活更少。rs1006737位点A等位基因与额叶—海马功能连接强度呈正相关[32]。该两研究结果相反可能是由于所用范式存在差异（BIGOS等[31]研究要求被试对所有刺激均做出反应，而PAULUS等[32]研究仅要求被试对目标刺激做出反应）。还有观点认为，风险等位基因携带者DLPFC激活水平反而高于常见等位基因携带者是个体自身代偿的结果[33]。总之，两个基因亚组之间的差异都集中在右侧DLPFC，这是调控执行功能、工作记忆和认知可塑性的重要区域，也是SZ患者脑结构异常的特征区域，及经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）等物理干预手段的常用靶点[34]，进一步印证CACNA1C在SZ病理生理学机制中具有重要作用。

3.3 CACNA1C基因对杏仁核功能的影响情感症状是心境障碍的主要临床表现之一。有学者关注CACNA1C的rs1006737对情感加工过程中杏仁核活动水平影响。WESSA等[35]发现CACNA1C对健康人群的奖赏传递过程有影响，在执行概率奖赏倒叙学习任务中，风险等位基因（AA+AG）携带者的右侧杏仁核血氧水平依赖 （blood oxygen level-dependent，BOLD）信号激活水平高于常见等位基因纯合子（GG）携带者。TESLI等[36]用面孔匹配和感觉运动控制两个任务范式对66例BD患者、61例 SZ患者和123名 HC进行研究，结果显示在BD组中，风险等位基因（AA+AG）携带者在执行负性面孔范式时左侧杏仁核激活增加。JENNIFER等[37]对健康青少年研究结果显示，风险等位基因纯合子（AA）携带者在观看负性刺激时杏仁核的BOLD信号水平更高。该结果提示CACNA1C对杏仁核功能的影响在发育期就已经出现。DIMA等[38]研究显示rs1006737会影响视觉皮层与腹侧前额皮层的连接，说明其对脑功能的影响不仅限于额叶—边缘区域，还扩展到了腹侧视觉通路。

4 总结与展望

精神障碍的遗传结构非常复杂，由多种常见和罕见的遗传变异组成，单一变异的可归因风险很低。但目前多种研究表明CACNA1C变异，尤其是SNPrs1006737对精神障碍中间表型的影响显著。综上所述，CACNA1C基因作为精神障碍的重要风险基因之一，对脑结构与功能的影响主要集中在额叶—边缘系统，尤其是海马和杏仁核等区域。由于所选取的任务范式、分析方法和统计模型各异，选取的感兴趣区等不同，人种不同，样本量不足等原因，影像学研究的异质性较高。未来研究可以进一步改进任务范式，采用更严谨科学的分析方法，将结构与功能MRI两者结合起来，进一步探究CACNA1C变异影响精神障碍易感性的机制，为精神障碍个体化治疗提供新的靶点。