晝夜節(jié)律鐘基因與精神障礙

孫振曉 于相芬 孫 波

晝夜節(jié)律鐘基因與精神障礙

孫振曉 于相芬 孫 波

內(nèi)源性晝夜節(jié)律系統(tǒng)使機體的各種生理機能及其與外部環(huán)境之間相互協(xié)調(diào)，即包括感覺信息與環(huán)境時間、機體生理和心理狀態(tài)的整合作用。當這種整合功能的協(xié)調(diào)性遭到破壞時，可發(fā)生精神障礙、情緒紊亂、睡眠－覺醒周期紊亂、激素水平及分泌高峰時間的變化。本文對晝夜節(jié)律生物鐘的分子機制、晝夜節(jié)律鐘基因在睡眠－覺醒周期障礙中的作用及其與精神障礙的關(guān)系作一綜述。

1 晝夜節(jié)律生物鐘的分子機制［1，2］

眾所周知，多數(shù)生物都以24小時或近似24小時為周期而顯示出明顯的晝夜節(jié)律(circadian rhythms)。這是機體接受外源光信號即授時因子作用而與環(huán)境同步化所致，這個過程稱之為導引(entrainment)。另一方面，即便沒有外源光信號的作用，生物體仍可在內(nèi)源性生物鐘驅(qū)動下呈現(xiàn)內(nèi)在的自由運轉(zhuǎn)節(jié)律。各種變化的授時因子可通過導引重設生物鐘，使機體的一切生理機能、生化活動等隨外界環(huán)境的晝夜變化而變化。目前認為，晝夜節(jié)律生物鐘機制主要包括鐘振蕩器(oscillator)、信號輸入(input)、信號輸出(output)和鐘的整合或調(diào)節(jié)(integration or regulation)。所謂鐘振蕩器是由一組晝夜節(jié)律基因及其編碼的蛋白組成，是維持內(nèi)源性生物鐘運作的核心元件。晝夜節(jié)律生物鐘的振蕩器已明確定位于哺乳類視交叉上核(SCN)。而非哺乳類脊椎動物的中樞振蕩器位于多個組織，如松果體、視網(wǎng)膜和SCN等，這些部位在解剖和機能上與光的感覺有密切關(guān)系。視網(wǎng)膜、松果體和深部腦區(qū)內(nèi)的光敏鐘細胞具有視蛋白型的感光分子，這些分子可觸發(fā)G蛋白調(diào)節(jié)的光轉(zhuǎn)導通路。

晝夜節(jié)律是包括生物鐘基因在內(nèi)的細胞分子機制的結(jié)果，部分生物鐘基因的產(chǎn)物可調(diào)節(jié)其自身的表達，形成反饋環(huán)路，其結(jié)果是導致mRNA及蛋白質(zhì)水平的振蕩。這一現(xiàn)象已在主鐘基因(下丘腦的SCN)及其他腦區(qū)和外周組織中得到證實。在生物鐘內(nèi)，其他因素控制鐘蛋白的磷酸化、穩(wěn)定性及定位，因此也具有調(diào)節(jié)鐘振蕩器的作用。

在哺乳動物SCN生物鐘分子振蕩的模式里，表現(xiàn)負向調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)錄的元件是PER蛋白和隱色素蛋白(cryptochrome，CRY)復合體，它們是由CLOCK/BMAL進行正向調(diào)節(jié)，即 CLOCK及BMAL1(腦或肌肉ARNT樣蛋白1，也稱為ARNTL或MOP3)，形成雜二聚體，作用于 PER基因(PER1、PER2、PER3)或 CRY 基因(CRY1、CRY2)的啟動子區(qū)或內(nèi)含子區(qū)，通過E－box增強子成分啟動PER、CRY基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯。Rorα和Rev－Erbα分別起激活及抑制BMAL1轉(zhuǎn)錄的作用。NPAS2(神經(jīng)元PAS結(jié)構(gòu)域蛋白－2)是BMAL1功能伴侶，也對晝夜節(jié)律具有調(diào)節(jié)作用。由E－box調(diào)節(jié)的PER、CRY基因的跨轉(zhuǎn)激活受到它們自身產(chǎn)物PER和CRY蛋白的強烈抑制，形成晝夜節(jié)律性轉(zhuǎn)錄激活、失活的分子周期。酪氨酸激酶Iε(CKIε)、酪氨酸激酶 Iδ(CKIδ)及糖原合成酶激酶3(GSK3)可使生物鐘蛋白磷酸化。這些酶可被泛酸連接酶復合物的組成部分如FBXL3及β－TRCP1降解。其相互作用，通過控制PER和CRY聚集、結(jié)合及易位的比率來調(diào)節(jié)生物鐘振蕩的周期，從而控制生物鐘的功能。如果生物鐘基因發(fā)生突變可破壞機體情緒、心理及行為過程及其與環(huán)境的統(tǒng)一性，導致睡眠－覺醒周期紊亂及精神障礙。

2 晝夜節(jié)律鐘基因在睡眠－覺醒周期障礙中的作用

有關(guān)晝夜節(jié)律鐘基因突變與睡眠－覺醒周期障礙的關(guān)系已引起人們的關(guān)注。Toh KL等［3］研究發(fā)現(xiàn)家族性睡眠時相提前障礙(FASPD)與PER2基因多態(tài)性有關(guān)，PER2基因蛋白的改變影響其被CKIδ/ε的磷酸化過程、使其穩(wěn)定性及在細胞內(nèi)的定位發(fā)生變化，引起睡眠時相提前。在對另一個FASPD家族的研究中，發(fā)現(xiàn)了CKIδ基因編碼的突變。

研究發(fā)現(xiàn)睡眠時相延遲障礙(DSPD)和PER3基因多態(tài)性有關(guān)。PER3基因變化也與早－晚偏好有關(guān)［2］。Viola 等［4］研究表明，與睡眠增多，慢波睡眠(SWS)增加及對睡眠剝奪效應易感者比較，個體在睡眠時PER3等位基因純合子有顯著差異，而褪黑素、皮質(zhì)醇及活動的晝夜節(jié)律無差異，提示不同的生物鐘基因可能通過其對生物鐘的直接作用或通過其它機制如影響睡眠穩(wěn)態(tài)而影響時型。

人類CLOCK基因的多態(tài)性也與夜晚偏好及睡眠－覺醒周期的定時延遲有關(guān)［2］。攜帶1個或2個CLOCK3111C等位基因的個體顯示夜晚型睡眠者增加而清晨型睡眠者減少，而攜帶CLOCK3111T/T等位基因的個體清晨型睡眠者增多。在日本人群中發(fā)現(xiàn)CLOCK3111C/C基因型與睡眠時相延遲及白天睡眠增多有關(guān)，但在白種人中未得到證實，目前尚無足夠的證據(jù)支持CLOCK3111C/C基因型與DSPD有關(guān)。

有證據(jù)表明夜晚時型可增加精神障礙的危險性［5］。雙相情感性精神障礙(BPD)、精神分裂癥及分裂情感性精神障礙患者均較對照組夜晚型睡眠者增加。在BPD患者中，這一發(fā)現(xiàn)可被年齡糾正(如年輕BPD患者夜晚型睡眠明顯增加)，而精

神分裂癥及分裂情感性精神障礙患者在任何年齡段夜晚型睡眠均明顯增加。有研究提示BSPD可能與人格障礙有關(guān)［6］。一個研究發(fā)現(xiàn)，16%的青少年精神障礙患者(診斷包括BPD、分裂情感性精神障礙及邊緣性人格障礙等)被診斷為 BSPD 7.3%［2］。這些發(fā)現(xiàn)進一步提示晝夜節(jié)律與精神障礙有關(guān)。

3 睡眠、晝夜節(jié)律鐘基因與精神障礙

3.1 重癥抑郁障礙(MDD) 睡眠障礙是MDD的重要癥狀。80%～90%的抑郁癥患者存在失眠，失眠也是抑郁發(fā)生的重要危險因素。睡眠障礙與生活質(zhì)量差與抑郁復發(fā)的危險性增加有關(guān)?？焖傺蹌?REM)睡眠潛伏期(RL)縮短、晚間REM睡眠的早期分布及早醒提示內(nèi)源性晝夜節(jié)律系統(tǒng)的時相提前。應用睡眠時相提前療法治療抑郁癥獲得成功為這一假設提供了支持。另外，發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者體中心溫度(CBT)升高，皮質(zhì)醇升高、褪黑素分泌減少，也支持抑郁癥涉及晝夜節(jié)律系統(tǒng)異常［2］。但迄今為止，尚無證據(jù)表明晝夜節(jié)律鐘基因突變與MDD有關(guān)。Desan PH等［7］對

143例MDD患者CLOCK3111C等位基因的多態(tài)性進行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常對照組無明顯差異。新近有證據(jù)提示電痙攣治療以及針對多巴胺及5－羥色胺神經(jīng)遞質(zhì)的抗抑郁藥物治療可能有相同的作用方式，通過抑制或增加GSK35酶的磷酸化。GSK3參與許多細胞功能，因而治療機制可能涉及多種途徑，包括神經(jīng)元信息的調(diào)節(jié)、神經(jīng)元保護、神經(jīng)細胞的可塑性、雌激素和糖皮質(zhì)激素分泌的調(diào)節(jié)、腦代謝及晝夜節(jié)律系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等［2］。

3.2 雙相情感性精神障礙(BPD)BPD患者常有睡眠障礙，并且是復發(fā)的早期癥狀。報告較一致的睡眠障礙包括失眠或睡眠過多、早醒、睡眠效率低及RL減少。睡眠－覺醒周期及日常活動不規(guī)律是情緒障礙的重要因素。在快速循環(huán)型患者中，從躁狂/輕躁狂發(fā)作轉(zhuǎn)向抑郁發(fā)作/情感正常往往發(fā)生于睡眠過程中或睡眠后，而抑郁發(fā)作轉(zhuǎn)向躁狂/輕躁狂發(fā)作更可能發(fā)生在一段清醒期后。BPD患者有晝夜節(jié)律障礙，表現(xiàn)生物鐘時相提前，包括血清皮質(zhì)醇晝夜分泌節(jié)律的時相提前［2］。

有關(guān)BPD與晝夜節(jié)律鐘基因關(guān)系的研究集中于人類CLOCK基因3111T/C多態(tài)性。研究發(fā)現(xiàn)，CLOCKC/C等位基因與抗抑郁劑治療時失眠嚴重、BPD的復發(fā)率高及睡眠需要減少有關(guān)［2］。Mansour HA等［8］對BPD或精神分裂癥家族樣本的8個晝夜節(jié)律鐘基因(BMAL1、CLOCK、PER1、2、3、CRY1、2、TIMELESS)的單核苷酸多態(tài)性(SNP)進行研究，孟德爾遺傳畸變分析提示BMAL1(ARNTL)及TIMELESS與BPD有關(guān)。另一個應用單型分析的研究證實了BPD與BMAL1(ARNTL)的聯(lián)系，也發(fā)現(xiàn)與 PER3有關(guān)(TIMELESS 未研究)［2］。

新近的證據(jù)提示鋰鹽的治療作用可能與其對晝夜節(jié)律鐘的直接作用有關(guān)。在嚙齒動物，鋰鹽可延長晝夜節(jié)律的時相及SCN神經(jīng)元電活動的時期。BPD患者存在體溫及REM睡眠晝夜節(jié)律的延遲，提示鋰鹽的治療作用部分是通過糾正晝夜節(jié)律系統(tǒng)的時相延遲。其可能的分子機制是通過抑制GSK3。盡管GSK3可通過多種機制介導晝夜節(jié)律的治療作用，但極有可能是通過其作為晝夜節(jié)律鐘中樞調(diào)節(jié)子的作用。許多證據(jù)支持這種觀點:在小鼠的成纖維細胞，鋰鹽與GSK3基因抑制可導致mPER2周期的延長，GSK3磷酸化PER2及REV－ERBα，分別調(diào)節(jié)其定位及穩(wěn)定性。更有趣的發(fā)現(xiàn)是GSK3抑制可能是其它心境穩(wěn)定劑如丙戊酸鹽及抗抑郁劑或電痙攣治療的機制［2］。有研究證實了 GSK3β－50T/CSNP等位基因頻率的效應，具有GSK3βT/T等位基因的BPD患者較具有GSK3βT/C或GSK3βC/C等位基因的患者發(fā)病年齡早，對鋰鹽的療效差［9］。

3.3 季節(jié)性情感性精神障礙(SAD)SAD患者常有睡眠障礙，尤其是睡眠過多，多導睡眠監(jiān)測顯示非快速眼動(NREM)睡眠延長，NREM睡眠每分鐘慢波活動增加。相移假說認為，SAD患者冬季出現(xiàn)抑郁是由于自身晝夜節(jié)律系統(tǒng)存在關(guān)于睡眠－覺醒周期的季節(jié)特異性相移，應用光照療法及外源性褪黑素治療可糾正這種相移［2］。

Partonen T 等［10］研究發(fā)現(xiàn) PERIOD2、NPAS2及BMAL1(ARNTL)基因多態(tài)性與SAD的危險性增加有關(guān)，他們對189例SAD患者及189名正常對照者的這3個生物鐘基因SNP進行分析，發(fā)現(xiàn)BMAL1、PER2及NPAS2的多態(tài)性與SAD有關(guān)，當這3個基因的SNP某些等位基因結(jié)合在一起時，其發(fā)生SAD的危險性較其它基因型者增加4.43倍，較具有保護性基因型者增加10.67倍。已有研究發(fā)現(xiàn)SAD與NPAS2471亮氨酸等位基因的關(guān)系，而且證實了PER3647Val/Gly基因型與清晨型/夜晚型睡眠的關(guān)系，尤其在SAD組［2］。這些發(fā)現(xiàn)提示某些生物鐘基因多態(tài)性與時型有關(guān)，某些晝夜節(jié)律鐘分子結(jié)構(gòu)的異常可增加SAD的易患性。

3.4 焦慮障礙 焦慮障礙患者常伴有睡眠障礙，無論在廣泛性焦慮障礙(GAD)還是在創(chuàng)傷后應激障礙(PTSD)中睡眠障礙均常見，PTSD患者常有夢魘及REM睡眠減少。但由于焦慮障礙的異質(zhì)性及與其它精神障礙如抑郁障礙的共病，有較少的證據(jù)提示特異性晝夜節(jié)律紊亂或晝夜節(jié)律鐘基因在焦慮障礙中的作用［2］。在動物實驗中有一些有趣的發(fā)現(xiàn)，一個研究揭示抗焦慮慮藥物可使鼠腦PER1mRNA水平降低，提示改變晝夜節(jié)律鐘基因水平可能是這類藥物的治療機制之一［11］。更有趣的發(fā)現(xiàn)是，具有CLOCK基因突變的小鼠焦慮減輕，它們較正常小鼠更可能長時間地在公開場合逗留，但由于這些小鼠也顯示與躁狂有關(guān)的行為表現(xiàn)，尚不清楚如何更好地區(qū)分這些基因型［2］。

3.5 精神分裂癥 精神分裂癥患者常有睡眠障礙，包括失眠、總睡眠時間(TST)減少、睡眠潛伏期延長、持續(xù)睡眠及睡眠效率差、SWS水平低等。具有失眠常常是疾病復發(fā)的征兆。對精神分裂癥患者的活動監(jiān)測記錄提示有靜息－活動周期紊亂，時相延遲、活動時間延長。對精神分裂癥患者的強制非同步性實驗提示24小時周期傾向于睡眠，提示有睡眠晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)紊亂。有報道精神分裂癥患者的CBT、脈搏及血壓晝夜節(jié)律的同步失調(diào)，褪黑素分泌的晝夜節(jié)律性變化遲鈍，催乳素、褪黑素及色胺酸分泌時相提前［2］。

有關(guān)晝夜節(jié)律鐘基因多態(tài)性與精神分裂癥的關(guān)系的證據(jù)較少。Takao T等［2］對145例日本精神分裂癥患者的CLOCK基因的SNP分析顯示，與健康對照組比較，具有T3111C基因多態(tài)性，并且認為這一多態(tài)性與SCN的多巴胺能傳導異常有關(guān)，可能是精神分裂癥發(fā)生的病理生理機制。由于多巴胺能信息通過D2受體增加CLOCK基因BMAL1的活動，提供了精神分裂癥多巴胺假說與晝夜節(jié)律異常的有趣聯(lián)系。尸檢研究顯示與年齡相匹配的正常對照組比較，精神分裂癥患者顳葉PER1mRNA表達減少。研究發(fā)現(xiàn)PER3及TIMELESS與精神分裂癥、分裂情感性精神障礙、BPD有關(guān)［8］。由于 CRY1基因位于染色體12q23－q24.1區(qū)域，主要發(fā)揮對晝夜節(jié)律鐘的調(diào)節(jié)功能，靠近最易出現(xiàn) SNP的區(qū)域(linkage hotspot，12q24)，因此被認為是精神分裂癥的候選基因［13］。

3.6 癡呆 Alzheimer病(AD)患者睡眠障礙及靜息－活動周期紊亂常見，包括“夕陽綜合征”，表現(xiàn)晚間徘徊、攻擊行為、言語凌亂及激越增加，多導睡眠儀監(jiān)測顯示入眠后醒覺增加、夜間TST、睡眠效率、REM睡眠減少，RL增加、腦電圖慢波活動增加。研究顯示AD患者睡眠障礙與認知分低相關(guān)聯(lián)，提示睡眠指標的變化可能有診斷價值［2］。另外，AD患者的一些生理變量的晝夜節(jié)律有改變，如活動的晝夜節(jié)律振幅減小，CBT晝夜節(jié)律的峰值減小、時相延遲、褪黑素及其代謝產(chǎn)物的分泌峰值減小。盡管AD患者所有變量與年齡相匹配的健康對照組差異無顯著性，但CBT時相延遲尤應引起重視，因為在健康老年人傾向于CBT時相提前［2］。對AD患者的解剖學研究顯示其激素及睡眠－活動周期的晝夜節(jié)律變化是由于主時鐘本身的變化所致，在對SCN主時鐘的定時信息有反應的松果體及其它可產(chǎn)生褪黑素的腦區(qū)發(fā)現(xiàn)有晝夜節(jié)律鐘基因表達的分子變化［2］。對非癡呆者的松果體組織尸檢顯示，BMAL1、CRP1、PER1、褪黑素、褪黑素合成、β1腎上腺素受體mRNA、及控制褪黑素晝夜節(jié)律的受體有晝夜節(jié)律性波動。而AD患者無晝夜節(jié)律性變化，提示AD患者存在SCN晝夜節(jié)律信息的異常［14］。這些發(fā)現(xiàn)提示，來自SCN的信息減弱可能也是AD患者CBT及睡眠－覺醒節(jié)律變化的原因。

3.7 酒精所致精神障礙 急、慢性飲酒以及戒酒都會引起生物節(jié)律的變化，從而導致心理、內(nèi)分泌、行為節(jié)律的改變。生物鐘能調(diào)節(jié)許多與酒精有關(guān)的行為和生理反應;生物鐘對于嗜酒的人有定時作用，對人和動物的研究都表明飲酒成癮后都必須在特定的時間飲酒;酒的攝入、消化及戒酒都會破壞正常的有節(jié)律的生物活動，如睡眠、活動、體溫、激素分泌節(jié)律的紊亂。這些發(fā)現(xiàn)表明酒精與生物節(jié)律是有關(guān)聯(lián)的。但有關(guān)晝夜節(jié)律鐘基因多態(tài)性與酒精所致精神障礙關(guān)系的證據(jù)較少。Spanagel R 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，具有 PER2 突變［PER2蛋白PAS(PER－ARNT－SIM)結(jié)構(gòu)區(qū)缺失］的小鼠谷氨酸受體Eaat1表達低，導致星形膠質(zhì)細胞對谷氨酸的攝取減少，腦中細胞外間隙谷氨酸水平升高，酒精攝取增加。在人類PER2基因突變也與酒精攝取的調(diào)節(jié)有關(guān)。一種用于維持戒酒的藥物阿坎酸(acamprosate)的作用機制可能是通過降低谷氨酸水平，減少酒精攝取。提示谷氨酸介導了晝夜節(jié)律鐘基因PER2突變與酒精攝取增加的聯(lián)系。

4 小 結(jié)

研究表明BPD與晝夜節(jié)律鐘基因，特別是CLOCK基因多態(tài)性有關(guān)，心境穩(wěn)定劑及抗抑郁劑的治療機制涉及GSK3。盡管晝夜節(jié)律鐘基因與其它精神障礙關(guān)系的研究尚處在早期階段，但進展較大，尤其是對SAD及精神分裂癥的研究發(fā)現(xiàn)。晝夜節(jié)律鐘基因為基因組掃描在精神障礙鑒別診斷、基因治療及指導發(fā)展新的精神藥物等方面提供了方向。應進行設計嚴謹?shù)膶φ昭芯刻接懢裾系K患者睡眠與晝夜節(jié)律紊亂的關(guān)系，并探討精神障礙的基因基礎(chǔ)。

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1007-3256(2012)04-0242-05

276005 山東省臨沂市精神衛(wèi)生中心

(收稿:2012－04－07)