染色體22q11 microRNAs缺失與精神分裂癥

周亞楠 翟金國 魏欽令

精神分裂癥是一種病因尚未闡明的終身性多基因遺傳病，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，學(xué)者們開始從遺傳方向?qū)ふ揖穹至寻Y的病因。目前microRNAs在精神分裂癥病因?qū)W中所起的作用越來越被認可，國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)microRNAs在精神分裂癥相關(guān)腦區(qū)豐富表達，在神經(jīng)細胞的增殖、發(fā)育、分化、凋亡以及突觸塑形過程中發(fā)揮著重要的作用，影響大腦發(fā)育和功能。而在22q11缺失誘發(fā)的精神分裂癥中存在microRNA介導(dǎo)的異常調(diào)節(jié)，22q11缺失導(dǎo)致這一異常調(diào)節(jié)的初步候選序列主要包括DGCR8和MIR185，可能與精神分裂癥的發(fā)病機制有關(guān)。

一、microRNA與22q11微缺失精神分裂癥

1. microRNA簡介

microRNAs是一類由約21～25個核苷酸組成的短序列非編碼RNAs，具有高度保守性。microRNAs基因在細胞核內(nèi)由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄成較長的初級RNAs(pri-microRNAs)，長達50～120個核苷酸，含有5′-帽子和3′-PolyA尾巴結(jié)構(gòu)，呈特殊的發(fā)卡形莖環(huán)，再經(jīng)過復(fù)雜的微處理器(主要由核酸內(nèi)切酶Ⅲ-Drosha和輔助因子DGCR8組成)的識別和作用，將Pri-microRNAs去除帽子和尾巴結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換成含有60～75個核苷酸的microRNAs前體(pre-microRNAs)，然后由Exportin-5輸出至胞漿內(nèi)，核酸內(nèi)切酶Ⅲ-Dicer和反式激活應(yīng)答RNA結(jié)合蛋白(transactivator RNA-binding protein，TRBP)復(fù)合物對其進行切割，形成較短的microRNAs雙鏈，然后雙鏈降解為長約22個核苷酸的小分子單鏈RNAs，即成熟的microRNAs[1]。Dicer和其他的RNA結(jié)合蛋白如Ago2、PACT及TRBP成熟microRNAs雙鏈中的一條鏈整合至RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RNA induce silencing complex,RISC)，microRNA關(guān)聯(lián)的RISC與靶向mRNA結(jié)合從而抑制翻譯或?qū)е耺RNA的降解[2]。此外，microRNAs很大程度上還能通過與3′-端非翻譯區(qū)的互補序列進行堿基配對導(dǎo)致翻譯的抑制或mRNA的降解從而有力的控制基因的表達[3]。一個microRNA通常可以控制幾百個靶向mRNAs，而一個mRNA也可以被多個microRNA協(xié)同調(diào)控，microRNA整合細胞內(nèi)多種不同的信號并調(diào)控各種信號通路[4]。

在哺乳動物的大腦中microRNA有豐富的表達，尤其是大腦前額葉皮質(zhì)及海馬內(nèi)，而大腦前額葉皮質(zhì)和海馬這些腦區(qū)是與精神分裂癥的發(fā)生密切相關(guān)的腦區(qū)[5]，microRNA在大腦皮質(zhì)及海馬神經(jīng)元的發(fā)育、功能及功能性過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用，microRNA的失調(diào)會使神經(jīng)精神性疾病的發(fā)病機制受到影響，而22q11缺失的小鼠模型已經(jīng)證明了大腦中microRNA生物合成的改變[6]。

2. 22q11與精神分裂癥關(guān)系密切的微缺失區(qū)域

22q11缺失癥已成為已知的精神分裂癥最高危險因素，22q11缺失癥患者一生中患精神分裂癥的風(fēng)險約為22.5%[7]，而50例精神分裂癥患者中就有1例患有22q11缺失癥，比例從0.3%上升到了2%[8]，在兒童期發(fā)病的精神分裂癥患者中，22q11缺失癥的發(fā)病率更高(5.7%)[9]，精神分裂癥與22q11缺失癥已有著明確的關(guān)系，與22q11缺失癥有關(guān)的青少年中，有一半被報道有精神病性體驗，而受其影響的成人高達1/3被診斷為精神分裂癥[10]。

22q11位于22號染色體一區(qū)一帶，22q11缺失綜合征是22號染色體q11區(qū)域染色體長臂上半合子的缺失引起的，它是一種遞歸結(jié)構(gòu)的變異，22q11缺失的大小是不同的，約90%的22q11缺失的大小為3Mb，包括60個已知基因，剩余10%的22q11的缺失大小為1.5Mb，包括35個基因[11]，所有的缺失都是由于非等位基因的同源重組，它們都是由低拷貝重復(fù)序列介導(dǎo)的，盡管22q11缺失的表型高度不同，但它的嚴(yán)重程度與缺失的大小無關(guān)。相關(guān)研究表明較小的1.5Mb的22q11微缺失區(qū)域是精神分裂癥的關(guān)鍵區(qū)域[12]。

已有研究利用基因工程建立了動物實驗?zāi)Ｐ蚚Df(16)A+/-]。該模型為小鼠16號染色體伴有1.3Mb區(qū)域缺失的小鼠模型，該區(qū)域幾乎包含了人類22q11上1.5Mb區(qū)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經(jīng)對22q11微缺失癥誘發(fā)精神分裂癥的潛在生物學(xué)機制的理解產(chǎn)生了突破。被設(shè)計好的小鼠攜帶一個雜合染色體的缺失，這段缺失橫跨相當(dāng)于人類22q11位點的同一染色體的一部分。Df(16)A+/-小鼠顯示出海馬神經(jīng)元突觸連接的缺陷，包括較低密度的樹突棘和谷氨酸能突觸[13]。另外，Df(16)A+/-小鼠展示出極度活躍的行為和在空間學(xué)習(xí)記憶依賴性學(xué)習(xí)上的缺陷[5]。這個動物模型深層的特征表明22q11微缺失導(dǎo)致了大腦microRNAs生物合成的改變[5]。

Merico等[14]的研究發(fā)現(xiàn)在典型的22q11微缺失區(qū)域有7個公認的編碼的microRNAs初步編碼序列,它們分別是：miR-185、miR-649、miR-1286、miR-1306、miR-3618、miR-4761、miR-6816。除了miR-185以外，目前還沒有關(guān)于其它六個microRNA的書面報道。迄今為止，關(guān)于22q11微缺失誘發(fā)精神分裂癥的動物模型和人類microRNAs的研究都集中在較小的1.5Mb缺失區(qū)域的DGCR8，相比之下，對于同為1.5 Mb缺失區(qū)域的MIR185也有較小程度的研究，DGCR8編碼microRNAs生物合成的微處理器的一個重要亞基[15]，MIR185基因編碼microRNA185。這兩個基因都位于22q11上較小的1.5Mb缺失區(qū)域[12]。

二、DGCR8在microRNAs介導(dǎo)的異常調(diào)節(jié)中的作用

已有研究表明DGCR8基因的活性可以控制micro-RNA的細胞水平，DGCR8基因的單倍劑量不足或者DGCR8去除會導(dǎo)致pri-microRNA顯著升高，而功能性的、成熟的micro-RNA的表達隨之降低[5,16]。在體內(nèi)DGCR8的敲除被用作一種分子工具去抑制micro-RNAs的合成，由此揭示了micro-RNAs依賴性生理學(xué)過程。

1. DGCR8在microRNAs介導(dǎo)的異常調(diào)節(jié)中對前額葉第Ⅴ層椎體神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的影響

早先就有研究報道DGCR8單倍劑量不足小鼠(DGCR8+/-)腦內(nèi)micro-RNAs表達降低表現(xiàn)出22q11缺失相關(guān)的皮質(zhì)異常，認知、行為的改變，前額葉皮質(zhì)短期可塑性的改變，樹突棘的改變及海馬樹突復(fù)雜性的降低。最近有研究闡述了DGCR8+/-小鼠micro-RNAs表達的降低是如何影響大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的功能和發(fā)育的。

Schofield等[17]證明了micro-RNAs表達的降低在新生DGCR8+/-小鼠中沒有被觀察到，而是出現(xiàn)在出生后的發(fā)育中。研究發(fā)現(xiàn)DGCR8+/-小鼠內(nèi)側(cè)前額葉的第Ⅴ層椎體神經(jīng)元出現(xiàn)電性能的改變、基底神經(jīng)元復(fù)雜性的降低及興奮性突出傳遞降低。在DGCR8+/-小鼠micro-RNAs生物合成的降低和特定的神經(jīng)生理性缺陷是一致的，包括出生后發(fā)育期間電性能的改變和興奮性突觸后放電頻率的降低。椎體神經(jīng)元的形態(tài)測定分析揭示基底樹突分支長度和復(fù)雜性的降低，這個發(fā)現(xiàn)與電生理的改變相一致。大腦皮質(zhì)是哺乳動物高級認知的腦區(qū)，不可分割的皮質(zhì)功能是興奮性和抑制性神經(jīng)元相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)，它的活性和聯(lián)系通過胚胎和后天發(fā)育出現(xiàn)和加強。皮質(zhì)神經(jīng)元的發(fā)育需要特殊基因的共同表達，這些基因塑造了重要的生理和結(jié)構(gòu)的特性，包括樹突分支、γ-氨基丁酸能和谷氨酸能突觸的形成，這些發(fā)育的失調(diào)有改變神經(jīng)元功能和中斷皮質(zhì)環(huán)路的潛能，已有報道證明精神分裂癥患者大腦前額葉皮質(zhì)環(huán)路的改變[18]。這些結(jié)果證明了在后天發(fā)育期間第Ⅴ層椎體神經(jīng)元的成熟過程中及前額葉皮質(zhì)(prefrontal cortex,PFC)環(huán)路發(fā)育中，DGCR8依賴性micro-RNAs精確表達的重要性。

與Schofield等的研究相一致，F(xiàn)énelon等[19]在2011年的的研究也揭示了DGCR8+/-小鼠電性能的改變和前額葉皮質(zhì)Ⅴ層椎體神經(jīng)元基底樹突在結(jié)構(gòu)上棘的變小。除此之外，他們還發(fā)現(xiàn)第Ⅱ?qū)雍偷冖魧幼刁w神經(jīng)元的數(shù)目整體上是減少的。除了結(jié)構(gòu)性的變化，在表面的皮質(zhì)層施加50 Hz的短暫刺激期間，第Ⅴ層前額葉皮質(zhì)的全細胞電生理記錄顯示了更強的突出抑制，它伴隨著突觸增強初期階段的減弱。Hsu等[20]的研究發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)椎體神經(jīng)元DGCR8的丟失導(dǎo)致了前額葉皮質(zhì)小清蛋白中間神經(jīng)元非細胞自主性的減少，伴隨著抑制性突觸傳遞的嚴(yán)重缺陷和抑制性突觸的相應(yīng)減少。這些改變可能存在功能性聯(lián)系并涉及以觀察到的認知和行為的缺陷，它們也解釋了在精神分裂癥患者中觀察到的前脈沖抑制的改變。Fénelon等[21]在2013年用22q11缺失誘發(fā)的精神分裂癥小鼠模型評估了這種基因的病變是如何在突觸、細胞和分子水平影響皮質(zhì)神經(jīng)環(huán)路的。他們證明了變異小鼠在高頻突觸傳遞和短期可塑性的缺陷以及長期可塑性和樹突棘穩(wěn)定性的改變。除了之前報道的Ⅴ層椎體神經(jīng)元樹突復(fù)雜性的減少，在相對局限的背景下發(fā)生突出可塑性的改變以及在神經(jīng)元密度和抑制性神經(jīng)元數(shù)量上發(fā)生改變。他們確定了在Pri-microRNAs加工過程中DGCR8依賴性缺陷，并確定了在基因表達和RNA拼接上的改變，RNA拼接可能是這些變異效應(yīng)的基礎(chǔ)。DGCR8水平的降低似乎是前額葉皮質(zhì)短期可塑性的和工作記憶改變的主要驅(qū)動力，但不是長期可塑性和細胞結(jié)構(gòu)改變的驅(qū)動力。他們的發(fā)現(xiàn)表明了精神疾病工作記憶障礙的皮質(zhì)突觸和神經(jīng)元機制。

2. DGCR8在microRNAs介導(dǎo)的異常調(diào)節(jié)中對中間神經(jīng)元和海馬神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的影響

最近Toritsuka等[22]研究發(fā)現(xiàn)22q11DS(22q11缺失癥)小鼠模型中存在中間神經(jīng)元和海馬齒狀回的發(fā)育缺陷，而DGCR8的缺失導(dǎo)致了這些神經(jīng)發(fā)育的異常，DGCR8調(diào)節(jié)Cxcr4/Cxcl12(趨化因子受體4/趨化因子配體12)信號，Cxcr4/Cxcl12介導(dǎo)的microRNAs的調(diào)節(jié)對中間神經(jīng)元和海馬齒狀回的發(fā)育是必不可少的。他們從散發(fā)的精神分裂癥觀察到嗅覺神經(jīng)元Cxcl12表達的降低，整體研究表明Cxcr4/Cxcl12信號可能代表精神分裂癥病理生理學(xué)中一個常見的下游媒介物。

與Toritsuka等同時期，Ouchi等[23]發(fā)現(xiàn)小鼠中DGCR8雜合子的缺失導(dǎo)致了成人海馬細胞增殖和神經(jīng)發(fā)生的減少以及海馬依賴性學(xué)習(xí)的損害。而海馬的解剖學(xué)、組織學(xué)和功能改變在精神分裂癥患者中持續(xù)被報道。在DGCR8+/-小鼠的海馬，一些精神分裂癥相關(guān)的基因下調(diào)，其中的一個基因Igf2(胰島素樣生長因子2)拯救了體內(nèi)外神經(jīng)干細胞的增殖，最近發(fā)現(xiàn)Igf2在記憶的鞏固和條件恐懼記憶的消退等海馬功能中起著重要作用。此外，Igf2改善了DGCR8+/-小鼠的空間工作記憶缺陷。這些數(shù)據(jù)表明有缺陷的神經(jīng)發(fā)生導(dǎo)致了在22q11缺失誘發(fā)的精神分裂癥中觀察到的認知障礙，這些損害可以被Igf2修復(fù)。

DGCR8究竟調(diào)節(jié)哪種特殊的microRNAs還是一個有待于研究的問題。DGCR8+/-小鼠的研究[5]確定了在前額葉皮質(zhì)有59種下調(diào)的microRNAs，在海馬有30種下調(diào)的microRNAs。這些下調(diào)的microRNAs包括miR-185，它位于22q11的1.5Mb缺失區(qū)域中[24]。

三、MIR185在microRNAs介導(dǎo)的異常調(diào)節(jié)中的作用

22q11DS小鼠模型研究已經(jīng)確定miR-185作為高度下調(diào)的microRNA存在于在與精神分裂癥相關(guān)聯(lián)的腦區(qū)[5]。最近Xu等[25]的一項研究證實了在Df(16)A+/-小鼠的海馬和前額葉皮質(zhì)中miR-185的表達嚴(yán)重的減少。同時它還表明了miR-185的減少導(dǎo)致了海馬神經(jīng)元樹突復(fù)雜性和樹突棘發(fā)育的缺陷。另外，在DGCR8+/-小鼠中觀察到DGCR8的缺陷導(dǎo)致了海馬中miR-185大約20%的減少，這表明在Df(16)A+/-小鼠中成熟的miR-185表達的嚴(yán)重減少可能是由于miR-185基因半合子和DGCR8缺陷導(dǎo)致的從剩余的復(fù)制中產(chǎn)生的pri-mir-185轉(zhuǎn)錄物成熟物的受損引起的。比預(yù)期的減少更為顯著，在基因劑量上它降低了50%，miR-185表達的大量減少表明了miR-185在被22q11.2微缺失影響到的基因中的獨特性。

Earls等[26]在22q11DS小鼠模型中證實了MIR185是肌漿網(wǎng)鈣泵(SERCA2)的調(diào)節(jié)器，SERCA2負責(zé)將Ca2+轉(zhuǎn)運到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中，從而維持了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca2+水平。MIR185的損耗導(dǎo)致了SERCA2的上調(diào)，同時它被認為是導(dǎo)致22q11DS小鼠模型中海馬突觸可塑性異常的機制。ER中Ca+轉(zhuǎn)運的增加導(dǎo)致了神經(jīng)遞質(zhì)釋放的增強和和海馬長時程增強(long-term potentiation, LTP)的增加。22q11DS小鼠模型表明了海馬長時程增強呈年齡相關(guān)性增長，LTP是突觸可塑性的一種形式，這種突觸可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。然而22q11微缺失導(dǎo)致SERCA2的過度表達和LTP增加的機制并未被確定。Earls等在22q11缺失癥小鼠模型Df(16)1/+所有測試的腦區(qū)(包括海馬、大腦皮層和小腦，不包括非神經(jīng)組織)中發(fā)現(xiàn)SERCA2水平是升高的，他們將精神分裂癥患者前額葉皮質(zhì)和海馬后期組織樣本中的SERCA2水平與未受影響的對照組做了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者這兩個腦區(qū)的SERCA2水平是升高的，考慮到小鼠神經(jīng)元中SERCA2水平的升高與嚴(yán)重的表型相關(guān)聯(lián)，這個發(fā)現(xiàn)表明了SERCA2蛋白質(zhì)水平的升高可能在精神分裂癥中導(dǎo)致神經(jīng)缺失。這為在小鼠模型中的發(fā)現(xiàn)和人類疾病之間提供了一種聯(lián)系，這些結(jié)果表明中樞突觸中micorRNA介導(dǎo)的SERCA2的上調(diào)可能是22q11DS和特發(fā)性精神分裂癥之間聯(lián)系的機制。

有研究發(fā)現(xiàn)RhoA、Cdc42已被驗證是miR185的兩個靶點[27]。這兩個基因與精神分裂癥表達水平的改變有關(guān)[28]，從而進一步支持了miR185參與了精神分裂癥。RhoA[28]是RhoGTPasee家族的一員，它調(diào)節(jié)肌動蛋白細胞骨架的不穩(wěn)定，RhoA的激活導(dǎo)致樹突分支數(shù)量和樹突棘密度的減小。Cdc42也是RhoGTPasee家族的一員，它通過調(diào)節(jié)肌動蛋白細胞骨架聚合成絲狀偽足促進樹突棘的形成[28,29]。另外，以基因為基礎(chǔ)的測試揭示了三個miR185靶基因(ATAT1、SH3PXD2A、NTRR3)的常見變體與精神分裂癥之間的聯(lián)系。

最近Forstner等[30]在精神分裂癥患者和正常對照組中運用小鼠和人類基因?qū)W方法的基因表達分析對精神分裂癥中miR185的作用做了進一步的研究。小鼠的原位雜交揭示了在與精神分裂癥有關(guān)的腦區(qū)miR185的表達，基因測試顯示了3個miR185靶基因的常見變種與精神分裂癥之間存在聯(lián)系。進一步的分析揭示了這些靶基因和miR185有重疊的表達模式，但是人類基因?qū)W分析并沒有找到精神分裂癥中涉及miR185 的證據(jù)，然而小鼠中miR185和它的靶基因的表達模式以及三個靶基因的聯(lián)系結(jié)果表明精神分裂癥中涉及miR185和它的下游通路的進一步研究是有必要的。

四、總結(jié)與展望

精神分裂癥是一種與神經(jīng)回路和突觸功能失調(diào)相關(guān)的精神疾病。microRNAs在精神分裂癥涉及的額葉皮質(zhì)和海馬等著重要腦區(qū)豐富表達，它整合了不同的細胞內(nèi)信號并調(diào)節(jié)信號通路，microRNAs介導(dǎo)的異常調(diào)節(jié)會導(dǎo)致這些關(guān)鍵腦區(qū)神經(jīng)細胞發(fā)育和突觸形成的異常，影響大腦的發(fā)育和功能，從而導(dǎo)致在22q11缺失癥誘發(fā)的精神分裂癥中觀察到的異常表型。利用基因表達分析等在基因水平上研究microRNAs與精神分裂癥之間的關(guān)系，可以更深入地探討22q11缺失誘發(fā)的精神分裂癥的發(fā)病機制。具有挑戰(zhàn)性的進一步研究將是用一種更全面的方法去識別和驗證受microRNAs異常調(diào)節(jié)影響的靶基因和他們各自的通路。這樣的研究將會提高我們對microRNAs調(diào)控的基因網(wǎng)絡(luò)是如何導(dǎo)致22q11缺失誘發(fā)精神分裂癥的病理生理學(xué)的理解。目前22q11缺失誘發(fā)的精神分裂癥中關(guān)于microRNAs異常調(diào)節(jié)機制的研究還存在局限性，相關(guān)的藥物研究還很少，這也為人們研制抗精神病藥物靶點提供了機遇和挑戰(zhàn)。