论文部分内容阅读
目的:重性抑郁障碍（Major depressive disorder,MDD）是全球最常见的精神障碍之一,也是导致残疾和自杀的主要病因之一,给社会和家庭造成严重的负担。目前研究认为大脑功能相关神经通路异常、遗传、环境等多因素相互作用导致的MDD患者脑网络改变可能是MDD的病理生理学机制之一。但目前MDD患者脑网络改变背后的生物学机制尚不完全明确。以往针对MDD的影像学研究发现,MDD患者存在大脑结构和功能改变,且MDD发病是由多脑区多神经束共同作用导致的,更多的表现为维持信息传递和整合平衡的脑网络模块异常化改变。基于图论的参与系数（Participation coefficient,PC）可以提供脑网络模块间的信息传递的情况,进而体现脑网络模块间信息传递和整合的程度。同时,大脑结构、功能是紧密联系的,结构网络为功能网络提供了解剖骨架,功能网络通过神经可塑性为结构网络提供再生方向。相比于单一模态的网络研究,结构网络连接（Structural connectivity,SC）和功能网络连接（Functional connectivity,FC）的一致性整合研究能更全面的捕获MDD患者的脑网络改变,已有研究发现MDD患者反映SC、FC一致性的SC-FC（Structural-Functional coupling,SC-FC）耦合系数在全脑水平上降低,但因为 MDD 患者大脑分离或整合的改变同时存在于不同的模块,基于模块化的SC-FC一致性改变能在结合结构、功能网络的基础上精准的反映MDD患者特征性脑网络改变。MDD患者脑网络研究结果的不一致对我们了解MDD患者脑网络改变造成困扰。综上所述,探索MDD患者不受用药状态影响的结构、功能网络模块化改变及模块化的SC-FC一致性改变可以明确MDD患者稳定的脑网络改变特征,为进一步研究MDD患者脑网络改变的生物学机制提供理论基础。大量研究表明MDD患者γ-氨基丁酸（Gamma amino butyric acid,GABA）能通路基因表达异常导致的MDD患者大脑内GABA水平的降低是MDD发病的主要病理生理机制之一。随着神经影像学研究的发展,研究发现MDD患者大脑中GABA水平的降低与脑网络连接的改变有关,说明GABA能通路基因表达异常可能是MDD患者脑网络改变的生物学机制。GABA能通路基因表达异常可能是由遗传或遗传-环境相互作用介导的。但遗传或遗传-环境相互作用通过介导GABA能通路基因表达异常而导致MDD脑网络改变的调控机制尚不明确。基于全基因组关联研究（Genome-wide association studies,GWAS）的 MDD 多基因风险评分（Polygenicrisk score,PRS）,可以量化个体携带的MDD遗传风险。但基于GWAS的MDD风险基因只能体现MDD的部分遗传力,缺失的遗传力可能由基因-环境相互作用导致的易感基因表观遗传变异体现。DNA甲基化是精神疾病常用的表观遗传研究方法之一。因此本研究通过对MDD患者稳定的脑网络改变特征与GABA能通路基因MDD-PRS,及GABA能通路基因DNA甲基化水平进行关联研究,拟在多基因遗传、表观遗传学角度探索MDD患者脑网络改变背后可能的生物学机制。研究方法:第一部分:本研究收集18-50岁被试共427例,MDD患者210例（其中未用药 MDD（Non-Medicine MDD,nMDD）患者 77 例、用药 MDD（Medicined MDD,mMDD）患者133例）,性别和年龄匹配的健康对照（Healthy control,HC）217例。收集被试一般人口学资料:临床数据,如首发、用药情况等,完成临床症状评估。所有被试在中国医科大学附属第一医院放射科,使用GE Signa 3.0 MRI扫描仪进行高分辨率结构成像（Three dimensional-fast spoiled gradient-echo,3D-FSPGR）、弥散张量磁共振成像（Diffusion tensor imaging DTI）、静息态功能磁共振成像（Resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）序列的磁共振影像扫描,采集影像学数据。基于多模态脑网络技术,以Glasser-360皮层图谱的360个脑区为节点,构建结构网络和功能网络。参考Yeo等人对大脑网络的模块划分方法,将360个脑区划分为视觉网络（Visual network,VIS）、感觉运动网络（Sensorimotor network,SMN）、背外侧注意网络（Dorsolateral attention network,DAN）、腹侧注意网络（Ventral attention network,VAN）、边缘网络（Limbic network,LIM）、额顶网络（Frontoparietal network,FPN）、默认网络（Default-Mode Network,DMN）7 个模块。应用 Gretna 计算 DTI 结构网络和 rs-fMRI功能网络的PC、对每个模块的结构、功能网络矩阵分别进行皮尔逊相关分析计算SC-FC耦合系数。在MDD患者和HC两组间,应用两样本T检验和卡方检验对人口学资料、临床症状、结构、功能网络PC值及SC-FC耦合系数进行统计分析。在nMDD患者、mMDD患者和HC三组间,应用单因素方差分析和卡方检验对人口学资料、临床症状、结构、功能网络PC值及SC-FC耦合系数进行统计分析,并对结果进行LSD事后检验,并进行FDR多重比较校正。第二部分:对第一部分完成影像数据扫描并同意进行血液采集和基因检测的50例MDD和86例HC,进行基因分型和850K甲基化芯片检测。5名MDD患者血液样本未通过质控,8名MDD患者因为DNA浓度小于50ng/μl甲基化芯片检测未成功。最终纳入样本量如下:（1）进行GABA能通路MDD-PRS计算的MDD患者45例,HC 86例;（2）进行GABA能通路基因DNA甲基化计算的MDD患者42人,HC 86例。选取精神病基因组学联合会MDD工作组（Psychiatric genomics consortium,PGC-MDD）发布的东亚人群MDD GWAS结果与GABA能通路11个基因 ARX、ASCL1、CNTN2、DLXI、DLX2、DRDI、DRD2、FEZF2、LHX6、NKX2-1、RAC3 重合的单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphisms,SNPs）作为发现样本,本研究收集的基因分型数据作为目标样本,使用PRSice软件为被试进行GABA能通路基因MDD-PRS计算。通过illumina-iScan扫描仪对850K甲基化芯片的灰度进行扫描,使用GenomeStudio V2011软件对扫描结果进行预处理,以得到标准化的甲基化数据。依据Illuminia提供的人类参考组基因（GRCh37/hg19）的位置注释信息将甲基化位点注释到相应的基因上,并依次获取GABA能通路上的 11 个基因 ARX、ASCL1、CNTN2、DLX1、DLX2、DRD1、DRD2、FEZF2、LHX6、NKX2-1、RAC3从TSS2000到5 ’UTR的CpG位点甲基化水平数据。在MDD患者和HC两组间,应用两样本T检验和卡方检验对人口学资料、临床症状及甲基化水平进行统计分析。然后,分别在MDD患者和HC组,以年龄和性别为协变量对MDD患者稳定脑网络改变特征与GABA能通路基因MDD-PRS进行偏相关分析。最后,分别在MDD患者和HC组内,以年龄和性别为协变量对MDD患者稳定脑网络改变特征与差异甲基化水平进行偏相关分析。结果:第一部分:（1）与HC相比,MDD患者结构网络PC值在两组间没有显著差异;nMDD患者、mMDD患者和HC三组方差分析结果显示:三组间结构网络PC值没有显著差异。（2）与HC相比,MDD患者功能网络VIS、SMN、VAN、FPN存在PC值异常的脑区;nMDD患者、mMDD患者和HC三组方差分析结果显示:功能网络VIS、SMN、VAN、FPN、DMN存在PC值异常的脑区,事后比较分析发现,与HC相比,nMDD患者和mMDD患者VIS、SMN、VAN存在功能网络PC值升高的脑区,其中VAN中PC值升高的脑区在两组间完全一致,VIS、SMN中PC值升高的脑区在两组间不一致。（3）与HC相比,MDD患者VIS、VAN的SC-FC耦合系数降低;nMDD患者、mMDD患者和HC三组方差分析结果显示:SC-FC耦合系数降低,主要变现在VIS、VAN。事后比较分析发现,与HC相比,nMDD患者和mMDD患者VIS、VAN的SC-FC耦合系数降低。第二部分:（1）MDD患者GABA能通路基因MDD-PRS与VAN的SC-FC耦合系数成负相关。（2）与HC相比,MDD患者GABA能通路多个基因的甲基化水平异常:具体表现为MDD患者CNTN2基因、DRD2基因5’UTR、3’UTR和Body区的22个CpG位点甲基化水平升高;CNTN2基因1stExon区1个CpG位点、DRD2基因TSS1500区2个CpG位点,NKX2-1基因、FEZF2基因、DLX1基因13个CpG位点甲基化水平降低。（3）MDD患者DRD2基因cg21141217位点的甲基化水平与VIS的SC-FC耦合系数成负相关。结论:（1）MDD组和HC组结构网络PC值没有显著差异,提示MDD患者结构网络整合可能是正常的。（2）MDD患者功能网络整合增强,主要表现在视觉网络、感觉运动网络、腹侧注意网络、额顶网络和默认网络,其中腹侧注意网络的模块间信息传输增加,模块间信息整合能力增强是MDD患者稳定的脑网络改变,视觉网络、感觉运动网络、额顶网络和默认网络的模块间信息整合能力增强可能受用药状态影响。（3）MDD患者视觉网络、腹侧注意网络结构-功能网络一致性降低是MDD患者不受用药状态影响的稳定脑网络改变特征。（4）MDD患者MDD-PRS越高,腹侧注意网络结构-功能网络连接一致性越低,说明MDD患者腹侧注意网络脑网络结构-功能网络连接一致性越低与遗传有关。（5）MDD组GABA能通路中5个基因37个CpG位点的甲基化水平存在显著差异,提示MDD患者GABA能通路基因甲基化水平可能存在紊乱。（6）MDD患者DRD2基因的cg21141217位点的甲基化水平越高,视觉网络结构-功能网络连接一致性越低,说明MDD患者视觉网络脑网络异常是与环境和遗传相互作用有关。本研究的发现为了解MDD患者脑网络改变的生物学机制提供理论依据。