精神疾病遗传动物模型的现状与展望

日期: 2015年10月21日


    

         

      精神障碍是一类高度遗传的多基因复杂性疾病,其中精神分裂症、孤独症以及双向障碍等疾病的遗传率可达80%,抑郁症以及神经性厌食等具有中等程度的遗传率,约为40%~60%。大多数精神疾病的产生系多个致病基因变异所致,通常人们认为,很多常见变异(common variants)对诱发疾病只产生一些微小的效果,这些单个基因本身并不足以导致疾病的发生,但是,当这些基因的效果共同叠加在一起时,就会超过机体所能承受的阈值而导致发病。到目前为止,研究者已经在发现和筛查这些常见基因变异方面取得了重要的研究成果。除此之外,研究者在一些精神疾病中还发现了所谓罕见的、具有中等危险性的变异基因,例如,精神分裂症在几个染色体上的拷贝数变异(CNVs)等。然而,据推测,这些常见变异以及具有中等危险程度的 CNVs 在精神分裂症中只能解释不到10%的遗传性,对其他遗传效果如罕见点变异(rare point mutations)、罕见拷贝数变异,特别是非线性的遗传效果,如基因间的相互作用、表观遗传因素以及基因与环境的相互作用的影响等研究,目前还处于刚刚起步的阶段。 

     动物模型是研究精神疾病的病因病理学以及治疗学机制的重要手段,然而,由于精神疾病真正的神经生物学原因未明,以往疾病动物模型的效度主要建立在表面效度和预测性效度这2个维度上。表面效度主要是基于动物的行为与人的症状之间的相似性,很明显,这种行为现象学上的相似性不足以揭示精神疾病的真正生物学原因,因为对这些表面相似性的界定是非常主观的。预测性效度指的是动物模型是否能够对现有治疗精神疾病的药物做出预期的  反应,因此可以用来研究现有药物的疗效并进一步利用动物模型来分析药物的作用机制。然而,由于现有治疗精神疾病药物的药理机制主要是以中枢神经递质理论 为基础的,而这些机制并不能完全解释精神疾病的成因,同样,以中枢神经递质为假说创制的药物也只能发挥部分治疗作用,这就使得目前的精神疾病动物模型对开 发新型的药物显得力不从心。   

 

       近年来,随着精神疾病遗传学机制得到广泛深入的研究,精神疾病的遗传动物模型也越来越被重视,并被寄予厚望。特别是一些新的分子生物学技术的发展,例如,基因表型的微阵列、比较基因组杂交技术以及全基因组关联研究(GWAS)等,为通过小鼠基因模型来研究精神疾病的神经生物学机制提供了广阔的前景。与以往基于行为的相似性或药理学预测效度的模型不同,遗传模型以精神疾病的内表型(endophenotypes)作为研究的基本靶点和分析的目标。内表型指的是具有遗传性的一些表型标识,是位于从基因到行为这个过程中的一些中间的、可定量化的成分,临床上,它们可以是神经生理学的指标,也可以是生化、内分泌、神经解剖、认知或神经心理的指标。在理论上,它们代表了更简单的一些可能介导或产生精神症状的生物学过程,选择“内表型”而不是整个症状作为研究的指标,可以更好地确定某些遗传因素。另外,作为神经生物学结构和功能的基本测定指标,内表型可以直接转换到动物模型的研究中,可以说,内表型位于行为或症状以及它 们可能的遗传基础的中间环节之中,对于理解精神疾病的神经生物学机制是一个非常有意义的概念。    

 

 

一、精神疾病遗传模型的主要方法    

 

       目前,精神疾病的动物模型主要使用啮齿类动物。尽管对非人类灵长类动物的研究可能更好地提示人类精神疾病的成因,但由于资源缺乏,这类研究相对较少。用精神疾病的遗传动物模型研究其发病机制的方法可以分为2大类,一类是对动物本身使用基因突变技术进行遗传工程学的处理,另一类是通过选择性的近交系繁殖来识别候选致病基因。使用基因突变技术是发展精神疾病遗传模型的手段之一,例如,通过诱发突变的化学物质来诱发随机突变,然后分析与这个变异基因有关的行为学表 型。这种研究属于“正向遗传学”的方法。以行为表型为基础的突变形成为从遗传学上阐明复杂的行为机制提供了一个有力的手段。最常见的方法包括用化学试剂诱导突变,如乙酰基亚硝基脲(ethylnitrosourea),然后,确定感兴趣的行为表型。另一种方法,也被称之为“反向遗传学”,它先从一个基因开始,然后去发现其功能。现在,人们可以通过一些实验手段引起小鼠某个单一基因的变异。最有效的技术是通过转基因小鼠来表达某个我们感兴趣的基因。转基因小鼠可以对某个蛋白进行过度表达或进行修饰,具体方法是将被注射到受精卵中的某个基因组合到基因组中。其结果,小鼠表达这一外源基因,其表达的时间和空间的 类型由特定的启动子来控制。    

 

       另外一种方法是利用同源性重组模式,即基因组中的被选定的DNA序列被除去或被一个不同的序列代替(基因敲除)。重组是在多能胚胎干细胞中进行的,然后被移入小鼠的胚泡中。这样,机体便成了一个嵌合体,有些细胞包含变异,而有些则没有。经过繁殖,获得所有细胞都产生变异的杂合体。这个过程用于生产基因敲除小鼠。这个手段还能够用变异的基因来替代正常基因(置换或基因敲入),这样,某个精神疾病的致病基因就有可能被鉴别出来。例如,促肾上腺皮质激素释放因子 (CRF)基因变异就是一个例子。过度表达CRF基因的小鼠显示出对应激的敏感性增强以及类焦虑行为,而缺乏CRF基因或它的一个受体基因的小鼠则产生相 反的行为表现。再比如,某个特定的5一羟色胺(5-HT)受体基因敲出小鼠,如缺乏5-HT1A受体基因的小鼠的焦虑行为增加,而 缺乏5 -HT1B受体基因的小鼠则更具有攻击性并且对精神兴奋性药物更加敏感。另外,用γ一氨基丁酸A(GABA A)受体基因敲入小鼠的研究显示,该受体与苯 二氮革类药物的抗焦虑效果有关。总之,利用转基因技术、基因敲除等技术研究致病基因的功能及其调控机制,对于从分子细胞水平上研究精神疾病可能的发病机 制,以及寻找新的药物靶点都具有非常重要的价值。  

 

       遗传模型研究的另一种手段,是通过筛选具有某种特殊行为表现的啮齿类动物的种系,来识别具有患病倾向的候选基因,然后再在人身上寻找并研究这种基因与精神疾 病发病的关系。例如,对具有感觉抑制缺失的近交系鼠种的研究显示,α7烟碱型胆碱能受体的表达和功能变异可能与听觉感觉门控障碍注意性认知过程有关。精神 分裂症患者在电生理上表现出P50障碍(P50听觉诱发电位),而导致这一缺失的基因位于15号染色体上,接近α7烟碱型胆碱能受体的位置。这表明该受体 可能是精神分裂症的致病因素之一。再有,研究者培养出一种对阿朴吗啡诱发的刻板行为高度的小鼠,与不敏感的小鼠相比,前者在许多方面表现出类精神分裂症的 功能障碍,如前脉冲抑制(PPI)和潜在抑制(LI)缺失、生化改变、免疫学改变等。    

 

       还有一种模式是把神经发育障碍和遗传学结合起来的研究方法。如Fisher 344大鼠是一个对应激高度敏感的近交系鼠种,这类大鼠对幼年期海马毁损具有高度敏感性。相反,Lewis大鼠对应激的敏感性差,因此对幼年期海马毁损不 敏感。这种将毁损和遗传学结合起来的方法对于筛选相关的候选基因帮助很大,例如,可以用来确定介导海马损伤仔鼠异常行为反应的候选基因,从而推断应激与精 神分裂症发病的遗传机制。    

 

       目前,大部分主要的精神疾病都有相应的遗传模型,例如,精神分裂症、重性抑郁、双向情感障碍、焦虑症、孤独症、强迫症、阿尔茨海默病等,限于篇幅,以下主要介绍精神分裂症的遗传模型及相关研究的进展。    

 

  二、精神分裂症遗传模型及其研究进展    

        基于中枢神经递质失调以及神经发育假说的遗传模型:多巴胺转运体基因敲除(DAT-KO)是一个研究较多的模拟精神分裂症的动物模型。缺乏多巴胺转运体 (DAT)的小鼠不能对多巴胺的释放进行再摄取,因此,增加了突触间隙的多巴胺浓度。缺乏DAT的小鼠表现出一系列的生理改变,这类小鼠从突触间隙清除多 巴胺所需要的时间是正常鼠的300倍,而细胞间隙的多巴胺浓度则是正常鼠的5倍。因为多巴胺浓度的增加,多巴胺D1和D2(但不是D3)受体的数量下调。 同时,DAT-KO小鼠还出现多巴胺自身受体数量的减少,而突触后多巴胺受体则表现得超敏。DAT-KO小鼠在行为表型上出现对新奇环境的过渡活动以及睡 眠障碍。雌性DAT-KO小鼠不能显示正常的照看后代以及给后代哺乳的能力。DAT-KO小鼠在空间认知实验中还表现出明显的认知伤害。再有,DAT- KO小鼠还出现听觉惊跳反应的PPI缺欠,而多巴胺D2受体拮抗剂raclopride能够修复这一缺欠。总之,DAT-KO小鼠模型具有与安非他明诱导 的精神分裂症动物模型类似的一些特征,如小鼠表现出运动增强、刻板行为、感觉门控障碍以及空间认知功能的损伤。然而,这个模型没有表现出社会性相互作用的 障碍,而这是精神分裂症患者的主要症状。因此,DAT-KO小鼠在研究精神分裂症的某些特征中是有用的模型,但不能产生整个与精神分裂症症状相关的行为表 型。    

 

       按其分子结构的不同,N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体由1和2两个亚型组成(NR1,NR2A-D).最近的1项研究中,研究者研制出一个经过遗传 工程学技术处理过的小鼠种(Nrlneo 一/一),NR1变异鼠,其NMDA受体在前脑皮质密度的表达率只为野生型的5%~10%。这类小鼠表现出类精神分裂症的阳性症状(自发性运动增强)与阴 性症状(社会性行为退缩),前者在单次氟哌啶醇和氯氮平给药后得到改善,后者在氯氮平急性给药后症状得以逆转。另外,缺乏NR2A以及NR2B受体的变异 小鼠在新奇的环境中出现自发性运动增强,在多种学习作业中表现出认知缺欠。对谷氨酸介导的神经转导系统基因模型的研究为进一步阐明精神分裂症的发病机制提 供了广阔的前景,以后的研究可以集中在NMDA的其他种类的受体上,如α一氨基羟甲基嗯唑丙酸( AMPA)代谢型谷氨酸受体,调解这些受体活性的蛋白激酶、磷酸化酶以及与谷氨酸合成、代谢及摄取相关的蛋白,共激动剂甘氨酸和D-丝氨酸,与谷氨酸相关 的神经肽,以及输送AMPA和代谢型谷氨酸受体的相关蛋白质等。    

 

       研究在神经发育、细胞与细胞之间的联系以及营养因子中起重要作用的相关基因,无疑对理解精神分裂症的神经发育假说是一个关键。例如,研究者成功地研制出一种 小鼠,当与神经细胞的移动和细胞分子黏附有关的基因,如神经细胞黏附分子异构体180(NCAM-180)被敲除时,这类小鼠表现出神经细胞的再生以及可 塑性障碍,如PSA-神经细胞黏附分子( PSA-NCAM)。临床研究显示,精神分裂症患者的海马同样存在这种障碍。归纳起来,近年来,与精神分裂症患者分子水平障碍相对应的小鼠的基因改变模型 包括:与神经营养及细胞外间质分子减少相关的模型[脑源性神经生长因子(BDNF),边缘系统相关膜蛋白,PSA-NCAM等];与谷氨酸功能低下相关的 模型(AMPA受体亚型1-4,海人藻酸受体亚型5-7,NMDA受体亚型1-2,海人藻酸受体亚型1-2,兴奋性氨基酸转运蛋白等);与GABA功能低 下相关的模型[谷氨酸脱羧酶67,GABA A等];与细胞突触标识相关的模型(突触素)等。    

 

       2. 其他与精神分裂症相关的危险基因:Dysbindin-l由抗肌营养不良蛋白结合蛋白基因编码,位于突触,该基因的变异对认知功能产生影响,并被认为是精 神分裂症的危险因素。在精神分裂症患者的海马和前额叶皮质中发现Dysbindin-l及其编码基因的表达下降。另外,该基因表达水平的下降增加了神经元 D2受体的量,并且调节谷氨酸能神经传导以及突触的稳定性,这些改变可能均与精神分裂症的发病有关。另外,精神分裂症断裂基因是包括精神分裂症在内的很多 精神疾病重要的候选致病基因,一些小鼠模型用来模拟该基因变异导致的行为表型的异常,研究显示,该基因的异常影响了小鼠的认知功能,特别是工作记忆过程, 这一机制可能是由于该基因的变异导致大脑发育过程中前额叶皮质和(或)海马的整合功能受损所致。神经调节素(neuregulinl)基因的杂合体变异导 致小鼠新奇对象再认能力受损,以及对条件性恐惧形成的缺乏。    

 

三、展望    

 

       精神疾病的遗传模型不仅对于阐明精神疾病的神经生物学、病理生理学的机制具有重要意义,而且能为开发超越传统的多巴胺以及5-HT能中枢神经传导的药物提供 重要的科学依据。到目前为止,已经有很多药物用于治疗各种精神障碍,但是,以精神分裂症和抑郁症这2种常见的精神障碍为例,药物的治疗效果是有限的,相当 多的患者无法从现有的治疗药物中获益。以遗传模型为手段,通过分析分子、细胞以及神经环路的障碍,能够更好地发现这些细胞通路如何与我们感兴趣的基因相互 作用,因此,可以发现比这些经典药物更有效而且更少副作用的治疗靶点。而且,最重要的是,新的遗传模型可以发现能够对疾病进行早期干预的新型药物。例如, 精神分裂症被视为一种神经发育障碍,在精神分裂症的症状中,认知功能的损害可能早于症状的临床表现,同时也是精神分裂症的核心症状,遗传模型可以更好地揭 示认知功能损害发展的时间点以及这些损害如何转变成永久性缺陷的机制。    

 

       作为一种非假说驱动的方法,GWAS通过对整个基因组的单核苷酸多态性进行测试,为发现精神疾病的遗传变异提供了一个新的有力武器。如前所述,科学工作者目 前正在试图寻找并定义那些更能准确地加以定义的内表型,这些内表型不再基于传统的临床现象学的诊断和分类,作为基因型和行为表型之间的中介,它们更能够敏 感地反映与基因变异之间的关系。与对人类的研究相比,动物模型能够提供更多的“内表型”,也更便于研究。这些研究成果,对于理解人类精神疾病的遗传成因, 无疑具有重要的启发意义。    

 

       另外,环境因素在精神疾病的发生发展过程中扮演着重要的角色,环境因素也同时受到遗传因素的调节,遗传模型可以在一个特定的基因变异的前提下阐明环境刺激的 影响效果,揭示外界的应激事件对于具有某种基因型个体的“双重打击”机制。再有,遗传模型可以用来研究精神疾病发病的表观遗传学机制,这些机制既影响着基 因功能,也可能被环境因素所改变,它们在大脑的发育中扮演着十分重要的作用。此外,性别角色在精神疾病的发育中值得重视,例如,性别角色在精神分裂症中的 发病年龄以及行为特征等均有所不同,一些遗传模型已经发现儿茶酚氧位甲基转移酶,BDNF,α4δGABA A等基因变异在性别上具有差异性。    

 

       最后,除了基因和环境之间的相互作用外,基因和基因之间相互作用机制的阐明对于理解复杂的大脑功能同样十分重要。现在,单个基因变异的遗传模型已经为我们了 解致病基因之间相互作用的复杂性创造了条件。同时,在同一个小鼠身上产生多个致病基因的改变也已经成为可能,例如,把与应激敏感性相关的基因变异和与精神 分裂症发病危险性相关的变异基因模型结合起来,就可以更好地阐明环境因素对精神分裂症的影响。总之,精神疾病遗传动物模型的开发与应用对于彻底了解精神疾 病的发病机制,以及开发新型治疗药物具有极其重要的价值。我国目前对精神疾病的前临床研究尚属薄弱的领域,对于遗传模型的开发与使用更存在严重不足,今 后,我们期待有更多的研究者投入相关的研究中来,为从遗传以及分子水平阐明精神疾病的病因学及治疗学机制做出努力。

作者 李晓白 中国医科大学附属第一医院精神科

 

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