DNA甲基化在抑郁症研究中的进展

谢银平，肖玲，郑雅格，王高华,3

抑郁症（depression）是一种以情绪低落、兴趣减退为主要特征的情感障碍性精神疾病。随着社会经济快速发展，生活节奏加快、工作压力加剧，抑郁症发病率逐年升高。世界卫生组织统计发现，抑郁症已成为世界第四大疾病，全球抑郁症患者已达3亿[1]。抑郁症因其高致残率、致死率及反复阶段性发作等特点已成为威胁人类身体健康、增加社会经济负担的严重精神卫生问题，寻找有效的预防、诊断和治疗方案迫在眉睫[2-4]。

抑郁症是一种多因素疾病，病因非常复杂，目前已有单胺递质假说、神经营养因子假说、氧化应激假说和免疫炎症假说等，但依据各种假说所采取的对应临床治疗措施效果差强人意。主流观点认为抑郁症是遗传因素与环境因素交互作用的结果。基因因素在抑郁症中大约占比35%～40%，生活环境与体验也是不可忽略的因素[5]。表观遗传学由英国发育生物学家Waddington于1939年提出，它完美地将基因和环境因素联系在一起[6]。近年来，表观遗传作为基因和环境之间可能的桥梁，在抑郁症的病理生理学中受到广泛的关注，表观遗传机制灵活编码和翻译环境因素的特征是研究抑郁症这类高度复杂精神疾病的理想候选对象，很好地解释了医学观察与传统遗传学不相符的情况，为阐明抑郁症的发病机制提供了新思路[7]。DNA甲基化是表观遗传修饰的主要形式之一，也是抑郁症中研究最多的表观遗传机制。本文对DNA甲基化在抑郁症的发病和治疗研究进展进行综述，并讨论DNA甲基化在抑郁症研究中的挑战与前景。

1 DNA甲基化

DNA甲基化是研究最多的表观遗传修饰之一，是指在不改变DNA序列的前提下，在基因组CpG（5'-3'方向）二核苷酸的胞嘧啶5位碳原子上共价结合一个甲基基团，形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC），改变遗传表现的过程。基因启动子区域或周围区域成簇CpG二核苷酸称为CpG岛，在正常体细胞里面呈低甲基化状态。启动子CpG岛甲基化主要通过两种方式抑制基因的表达：阻止转录激活因子及RNA聚合酶Ⅱ与转录起始位点的结合；与甲基化CpG结合蛋白结合招募转录抑制因子对附近的染色体进行修饰使其处于沉默状态[8]。DNA甲基化由DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases，DNMTS）以叶酸、甲硫氨酸或胆碱为甲基供体催化完成。DNA甲基转移酶分为两类，一类负责细胞分裂和DNA修复过程中甲基化状态维持（DNMT1），另一类负责DNA甲基化的从头合成（DNMT3）。DNA甲基化过程是可逆的，DNA去甲基化酶TET家族蛋白可将5mC氧化成5-羟甲基胞嘧啶（5hmC），并进一步被该家族的双加氧酶氧化成5-羧基胞嘧啶（5caC）[9]，最后通过脱氨基、糖基化或碱基切除修复回复到非甲基化修饰状态。

2 DNA甲基化与抑郁症

2.1 DNA甲基化/去甲基化酶与抑郁症

DNA甲基化动态过程需要甲基转移酶和去甲基化酶的参与，这两类酶的表达量与活性在DNA甲基化过程中起着至关重要的作用，同时也与抑郁症的发生发展密切相关。多项动物研究表明DNA甲基化/去甲基化酶表达水平调节应激对大脑的影响。DNA重头甲基转移酶DNMT3a在抑郁症患者伏隔核中表达升高，抗抑郁治疗能降低DNMT3a的表达水平[10]，在慢性社会挫败应激（chronic social defeat stress）的小鼠模型中也得到相同的结果。在小鼠的伏隔核过表达Dnmt3会促进小鼠（雌性和雄性）的抑郁样行为，敲除则会缓解雌性小鼠慢性变量应激的抑郁样行为。慢性社会挫败应激易感的小鼠伏隔核DNA去甲基化酶TET1的表达量降低，与此矛盾的是伏隔核Tet1基因敲除的小鼠抑郁样行为却有所缓解[11]。这表明靶基因的甲基化与行为之间存在极其复杂的关系。TET家族成员众多，虽都能发挥DNA去甲基化的功能，但对环境应激的反应仍有差别。Cheng等[12]发现，Tet1敲除小鼠表现出应激抵抗性，而Tet2敲除小鼠表现出应激敏感性。

2.2 候选基因DNA甲基化与抑郁症

迄今为止大多数DNA甲基化研究使用候选基因方法。众所周知，神经营养信号、单胺能系统的损伤和应激反应通路在抑郁症发生发展中发挥重要作用。抑郁症中涉及的候选基因主要研究发现如下。

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是神经营养因子家族的一员，它调节多巴胺能、胆碱能和5-羟色胺能神经元的发育、可塑性和存活。研究表明神经元中BDNF的合成减少与BDNF启动子区域的甲基化水平升高有关，小鼠抑郁症模型和一般抑郁症群体BDNF的启动子甲基化水平都有升高趋势[13]。Braithwaite等[14]发现，孕期母体的抑郁样症状与后代BDNF启动子甲基化的减少有关。BDNF的1号和6号启动子包含CpG高度富集的区域，也是绝大部分研究靶向的区域。多项临床研究同时表明这两个启动子区域甲基化在抑郁症患者中明显高于正常受试者[15-18]。BDNF启动子甲基化与抑郁症患者脑结构改变有关。研究发现前额皮质和枕叶皮质的厚度减少与这两个区域的BDNF基因启动子甲基化升高有关[19]。另一项研究显示，BDNF启动子高甲基化与抑郁症患者白质完整性降低之间存在相关性[20]。

大脑中5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）信号与抗抑郁机制有着紧密的联系，并且在一定程度上受5-羟色胺转运体（5-HT transporter，5-HTT）的调节。5-HTT由SLC6A4（solute carrier family 6 member 4）基因编码，SLC6A4的多态性在抑郁症中广泛研究。已有研究发现SLC6A4甲基化与人类抑郁行为之间存在正相关关系。抗抑郁治疗可以逆转抑郁症患者SLC6A4甲基化水平升高的趋势[21]，SLC6A4甲基化也与额灰质脑容量和大脑皮质区域之间的静息状态连接呈正相关[22]。但是SLC6A4基因变异与抑郁症之间的联系研究存在不一致性。在SLC6A4基因的短等位基因携带者中，观察到口腔细胞甲基化水平的增加与抑郁症状有关[23]；SLC6A4启动子甲基化水平升高与童年逆境、抑郁家族史显著相关，但与抗抑郁治疗结果无关[24]。也有研究报道SLC6A4启动子甲基化与大脑结构和功能变化之间的关系：Wang等[25]证明，眶额皮质中5-HT合成的降低与SLC6A4启动子甲基化的增加有关；SLC6A4启动子的甲基化升高与基于体素的形态测量法评估的海马体积增加有关[26]。

在抑郁症患者和动物抑郁症模型中，HPA轴应对应激的几个关键基因的甲基化修饰也发生了变化。对慢性社会挫败应激易感的小鼠下丘脑室旁核（paraventricular nucleus，PVN）促肾上腺皮质激素释放因子（corticotropin releasing factor，CRF）启动子的甲基化水平降低，同时CRF表达水平升高，这两种现象都可通过慢性咪丙嗪（imipramine）治疗逆转[27]。环境因素对海马糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor，GR）Nr3c1基因在脑组织和外周组织中的重编程有着重大影响。DNA甲基化增加也与抑郁症患者（1号启动子）和抑郁动物模型中（7号启动子）的抑郁样行为有关，特别是与早期生活逆境有关[28,29]。FK506结合蛋白5（FK506 Binding Protein 5，FKBP5）是亲免疫蛋白家族的成员，在功能上和GRs相互作用，与环境应激暴露和抑郁症发生有关。FKBP5蛋白降低糖皮质激素结合亲和力[30]，而皮质醇及其与GR结合诱导FKBP5表达[31]。其他研究发现GR伴侣FK506结合蛋白(FKBP5)在抑郁症患者中DNA甲基化修饰水平也发生变化[32]。这些结果进一步表明GR系统中的DNA甲基化与抑郁症有关。

2.3 DNA甲基化组学与抑郁症

测序技术的发展让大规模检测DNA甲基化修饰成为可能，也为研究者们在基因组层面探讨DNA甲基化与抑郁症的关系提供了便利。基于不同平台和不同样本类型的甲基化组学研究揭示了抑郁症中不同的甲基化模式（表1）。文献通过比较抑郁症患者与正常对照组外周血样本的DNA甲基化修饰差异为抑郁症的炎症信号通路研究提供了研究依据[33]。文献通过比较抑郁症患者和正常对照的前额皮质尸检样本鉴定了224个差异甲基化区域，这些区域注释到的基因在神经元生长和发育信号通路高度富集[34]。一项纳入环境风险因素的DNA甲基化组学研究发现，唾液样本中的ID3、GRIN1和TPPP的甲基化程度能够预测抑郁症状。这三个基因与应激相关的神经内分泌通路和神经可塑性相关[35]。另一项比较抑郁症自杀死亡者和突发死亡对照者的前额皮质DNA甲基化变化的研究发现115个差异甲基化区域主要与星形胶质细胞相关[36]。文献通过无药物治疗的抑郁症患者外周血白细胞的全基因组甲基化分析发现了363个低甲基化CpG位点[37]。研究发现肝细胞生长因子受体（MET）甲基化与青少年抑郁风险相关[38]。背侧前额叶皮质全基因组甲基化研究发现YOD1、UGT8、FNDC3B、SLIT2位点的DNA甲基化修饰改变与老年期抑郁症相关，并且男性的相关性高于女性[39]。有研究通过对581例抑郁症患者的随访6年前后外周血DNA甲基化分析建立了甲基化风险评分，来预测6年后患者的抑郁状态[40]。

3 DNA甲基化与抗抑郁治疗

越来越多的证据提示抗抑郁药的有效性可能与某些基因的DNA甲基化状态有关。研究表明阿米替林（amitriptyline）可诱导胞嘧啶去甲基化同时降低DNA甲基转移酶的活性[41]。Satoshi等[42]发现抑郁症患者在接受6周抗抑郁治疗后，SLC6A4启动子区域第三个CpG位点的甲基化水平升高，并且有更好的治疗响应。Okada等[43]也发现依他普仑（Escitalopram）治疗6周后SLC6A4启动子区域甲基化水平升高与更好的治疗响应相关。研究发现前额皮质注射依他普仑可以降低S100a10基因启动子区域的甲基化水平，提高mRNA表达量[44]。μ阿片受体（μ-opioid receptor，MOR）基因启动子区域的甲基化与抑郁症相关，其激动剂作为抗抑郁药已用于临床[45]。一项全基因组甲基化研究发现，暴露于SSRIs的新生儿CYP2E1、EVA1和SLMAP基因特定CpG位点的甲基化水平升高[46]。文献表明，CHN2和JAK2转录起始位点区域上游CpG位点的不同甲基化可能是预测依他普仑抗抑郁治疗反应的外周因子[47]。

4 展望

DNA甲基化这种常见的表观遗传修饰在抑郁症的发生发展中发挥重要作用。它可以为疾病状态预测疾病分层提供重要的生物标记，从而推动抑郁症防治向精准医疗方向发展。此外，DNA甲基化修饰是功能性修饰而非基因组结构改变，可能为未来的治疗方法提供更容易、更有效的改变。

近年来DNA甲基化修饰成为抑郁症研究的热点，但仍面临诸多挑战：①临床无法直接获得脑组织样本进行表观遗传学检测，目前普遍使用的是血液样本、口腔样本或唾液样本，这些外周样本的表观遗传学修饰能够多大程度上反映脑部的变化不得而知；②大脑结构复杂，不同区域功能不一样，各区域之间的区别及联系亟待阐明；③很多基因存在可变剪切现象，转录本数目众多，启动子区域和基因编码区都存在DNA甲基化，研究起来复杂；④不同的表观遗传修饰之间存在着复杂的交互作用，单纯的改变或者研究某一方面，很难得到精确的结果。

DNA甲基化修饰在抑郁症中的研究任重道远，未来的研究可从以下几方面进行：①绘制抑郁症DNA甲基化图谱，诠释不同的DNA甲基化修饰与大脑特异的区域、特异的细胞类型、特异的基因的关联；②将DNA甲基化修饰的研究成果转换为实际药物，建立安全治疗策略；③利用基因编辑、单细胞测序等新技术对抑郁症发生发展进行更加精细的研究；④临床研究与基础研究高效沟通，验证检测到的表观遗传修饰是否与疾病的发生具有因果关系。