系统介绍：聚焦精神疾病机制研究，罗雄剑课题组一年内发表多篇10分以上高水平文章
罗雄剑博士，研究员，博士生导师。2005年毕业于武汉大学生命科学学院获学士学位，2010年于中国科学院昆明动物研究所获得理学博士学位，同年9月赴罗切斯特大学医学中心（University of Rochester Medical Center）从事博士后研究工作，2014年9月回昆明动物研究所工作。现为精神疾病遗传及功能基因组课题组负责人。2018年获基金委优秀青年科学基金支持。长期从事于精神疾病的遗传机制和致病机理研究，利用多组学整合研究方法首次发现和鉴别了一批新的精神疾病易感基因如CAMKK2、ZNF323、MKL1、GLT8D1等，并探讨了这些基因在神经系统发育中的作用和在精神疾病发生中的可能机理。此外，合作开发了目前最为全面的精神分裂症遗传研究数据库SZDB（http://www.szdb.org/）。同时，利用功能基因组学手段阐明精神分裂症和抑郁症易感遗传变异的基因调控机制。
实验室主要围绕精神分裂症和抑郁症的遗传机制和发病机理进行深入的系统研究。结合人类遗传学、生物信息学、功能基因组学以及神经生物学等，从分子、细胞、模式动物和人等多个层次进行重要精神疾病易感基因的功能及其机制研究，主要目标是阐明精神疾病的遗传机制和致病机理，最终为预防和治疗精神疾病提供诊断及预后的分子标志物以及治疗靶标。研究兴趣集中在探索和发现精神疾病致病性易感遗传变异和基因，并深入研究这些致病性遗传变异和基因如何影响神经系统功能最终导致疾病发生。目前研究方向主要集中在以下三个方面：1.精神疾病的功能基因组学研究。2.运用小鼠和灵长类动物模型研究精神疾病的致病机理。3.探索精神疾病的潜在治疗靶标和开发抗精神疾病药物。
近1年，课题组聚焦精神分裂症，连续在Brain、Adv Sci、Biological Psychiatry、Molecular Psychiatry、Schizophrenia Bulletin等杂志发表高水平的文章，成绩显著，让我们一起来学习！
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精神分裂症是一种严重的精神疾病，给患者及其家庭和社会带来了巨大的经济和精神负担。精神分裂症的遗传力高达80%，表明遗传因素在这种疾病中起主导作用。单核苷酸多态性(SNPs)捕获了约23%的精神分裂症遗传力，表明常见遗传变异在精神分裂症中的重要作用。全基因组关联研究(GWASs)表明3p21.1区域的遗传变异与精神分裂症风险具有极强的关联性。然而，3p21.1风险基因座内的致病性遗传变异及其潜在的分子调控机制和致病机理目前尚不清楚。罗雄剑课题组前期利用功能基因组学(Functional genomics)方法在3p21.1区域鉴别到一个打断与CTCF结合的功能调控变异rs2535629 (Nat Commun, 2019)。
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精神分裂症（Schizophrenia）是一种常见的（终生患病率约为1%）重性精神疾病，其临床特征包括错觉、幻觉、妄想、缺乏动力、认知障碍等。基于双生子的遗传学研究提示精神分裂症遗传力约79-81%，表明遗传因素在精神分裂症中具有重要作用。目前全球各地已经开展了系列大规模的全基因组关联研究（Genome-wide association studies, GWASs），报道了上百个与精神分裂症显著相关的单核苷酸多态性位点（Single nucleotide polymorphisms, SNPs）。GWASs发现的绝大多数精神分裂症风险遗传变异位于非编码区，提示这些风险遗传变异很可能是通过调控基因表达而非改变蛋白质结构或功能来影响精神分裂症易感。因此，发现和鉴别已报道的精神分裂症风险基因座（Loci）中具有调控作用的功能（或致病）遗传变异及阐明其分子调控机制将为精神分裂症的遗传分子机制解析提供重要数据。
图1：精神分裂症风险基因座2q33.1的分子机制解析模式图
大规模的GWASs表明2q33.1风险基因座中遗传变异与精神分裂症显著相关。由于连锁不平衡（Linkage disequilibrium, LD）和基因表达调控的复杂性，风险基因座中P值最小的遗传变异大都不是致病遗传变异。因此，确定风险基因座中的功能遗传变异是后GWAS时代的一个挑战。罗雄剑课题组前期利用功能基因组学（Functional genomics）方法从已经报道的108个精神分裂症风险基因座中鉴别到132个功能SNPs（Nature Communications, 2019），其中2个功能SNPs（rs796364、rs281759）位于2q33.1区域，且rs796364影响转录因子CTCF和RAD21结合，rs281759影响转录因子FOXP2结合。
为了进一步阐明这2个功能遗传变异在精神分裂症中的潜在作用和机制，罗雄剑课题组开展了系列研究。遗传学研究首先证实这2个功能遗传变异在东亚人群中与精神分裂症显著相关，且来自于ENCODE的ChIP-Seq、DNase-Seq及组蛋白修饰数据表明这2个功能遗传变异位于具有转录活性调控区域（即调控元件）内，并与CTCF、RAD21和FOXP2转录因子结合。进一步的双荧光素酶报告基因实验、凝胶迁移阻滞实验（Electrophoretic mobility shift assay, EMSA）、人类大脑表达数量性状基因座（Expression quantitative trait locus, eQTL）分析、CRISPR-Cas9介导的基因组编辑、转录因子敲降实验以及脑部Hi-C数据表明rs796364和rs281759可能通过干扰CTCF、RAD21和FOXP2结合来调控远端基因TYW5表达。有趣的是，和正常人相比，TYW5在精神分裂症患者脑中表达显著上调，提示TYW5在精神分裂症中具有重要作用。神经干细胞实验进一步揭示TYW5过表达影响细胞增殖和分化，表明TYW5在神经发育中具有重要作用。同时，神经元树突棘形态分析发现TYW5过表达影响树突棘密度和比例，表明TYW5在神经元树突棘形成中可能发挥重要作用。最后，TYW5过表达与正常神经干细胞的转录组分析提示其差异表达基因主要富集在DNA复制等生物学通路中，且KEGG分析提示TYW5调控与精神分裂症相关信号通路，包括细胞外基质（ECM）受体互作通路、黏附斑（Focal adhesion）和PI3K-Akt通路。综上，本研究表明功能遗传变异rs796364和rs281759可能通过影响转录因子（CTCF、RAD21和FOXP2）结合来调控远端基因TYW5表达，进而影响神经发育和树突棘形态发生，最终导致精神分裂症易感。
该研究近期以“Regulatory variants at 2q33.1 confer schizophrenia risk by modulating distal gene TYW5 expression”为题发表于Brain杂志。中科院昆明动物所李世武副研究员、李娇硕士研究生（2020年6月毕业）以及刘杰伟助理研究员为本文的共同第一作者，罗雄剑研究员为文章的通讯作者。该研究获得“云南省科技厅重点项目”、“中国科学院战略性先导科技专项培育项目”、“云南省科技厅创新团队项目”、“云南省科技厅杰出青年项目”、“国家自然科学基金面上项目”、“中国科学院西部之光创新团队项目”和“中国科学院西部之光项目”的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1093/brain/awab357
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为了研究遗传变异如何通过影响蛋白表达水平介导精神疾病易感，中国科学院昆明动物研究所动物模型与人类疾病机理重点实验室罗雄剑课题组通过整合大脑蛋白表达数量性状基因座数据（pQTL）和大规模精神疾病（包括精神分裂症，双相情感障碍，抑郁症和注意缺陷与多动障碍）遗传研究数据，进行了蛋白组范围内的整合研究（Proteome-wide association study，PWAS）。PWAS分析鉴定到61个与精神疾病相关的易感基因，提示这些基因的蛋白水平表达变化与精神疾病相关。此外，转录组范围内的关联研究（Transcriptome-wide association study,整合eQTL与GWAS结果）（TWAS）鉴别到重要的精神疾病风险基因。通过比较PWAS和TWAS结果，我们发现CNNM2蛋白的表达水平与精神分裂症相关，以及CTNND1蛋白表达水平与抑郁症高度相关，提示这2个蛋白在精神疾病中的重要作用。
精神分裂症(56,418病例,78,818对照)PWAS分析结果的曼哈顿图。A:精神分裂症GWAS与Banner数据集（样本量N=152）整合分析的结果。B：精神分裂症GWAS与ROSMAP数据集（样本量N=376）整合分析的结果。图中红色虚线为Bonferroni矫正后的显著水平，图中红色的基因是在两个数据集中都达到矫正后显著的基因。
本项研究通过整合分析大脑pQTL与四种精神疾病的GWAS数据，鉴定到61个精神疾病风险基因，这些基因的蛋白水平的表达变化在精神疾病中具有重要作用，其中CNNM2基因与精神分裂症以及CTNND1基因与抑郁症的关联性值得重点关注。该研究鉴别到的风险基因和蛋白为精神疾病药物研发和药物靶点选取提供了重要的参考。
该研究成果以“Proteome-wide association study provides insights into the genetic component of protein abundance in psychiatric disorders”为题发表于国际知名的精神病学期刊Biological Psychiatry。中科院昆明动物所刘杰伟助理研究员为文章第一作者，李晓艳博士研究生（已毕业）提供了重要的数据分析支持，罗雄剑研究员为文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、云南省科技厅创新研究团队，中国科学院西部之光创新研究团队，以及云南省杰出青年项目的资助。
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精神分裂症是一种严重的、高度遗传性的精神疾病，影响了全球约0.5-1%的人口。目前全基因组范围内的关联研究(GWAS)已经报道了200多个与精神分裂症显著相关的风险基因座，然而这些基因座内的风险变异如何影响疾病的发生目前仍知之甚少。为了鉴别风险基因座内的功能变异，中科院昆明动物研究所动物模型与人类疾病机理重点实验室罗雄剑课题组前期利用功能基因组学（Functional genomics）方法，鉴别到132个打断与转录因子结合的风险遗传变异（Nat Commun，2019）。前期的功能基因组学研究表明位于22q13.2区域的错义遗传变异（missense）rs1801311影响了与转录因子POLR2A，TAF1 (TATA Box binding Protein Associated Factor 1)和YY1 (Yin-Yang1)的结合，提示rs1801311可能是个潜在的致病遗传变异。
为了进一步阐明rs1801311在精神分裂症中的作用和机制，该课题组对rs1801311的调控机制进行了系统的研究。系列功能实验（包括报告基因实验、转录因子敲低，ChIP-qPCR、CRISPR-Cas9介导的基因组编辑等）表明rs1801311是一个具有调控功能的风险变异。表达数量性状基因座（eQTL）分析表明rs1801311在人类大脑中与NAGA表达的相关性最显著。有趣的是，染色质长程相互作用数据表明rs1801311与NAGA有染色质相互作用，提示rs1801311可能通过长程调控NAGA表达介导精神分裂症风险。进一步的研究发现rs1801311的风险等位基因(G)通过减少YY1结合影响NAGA表达。
累积的证据表明精神分裂症可能是由于神经发育异常导致。因此，他们进一步深入研究了NAGA在神经发育中的潜在作用，发现其调节神经干细胞增殖和分化。转录组测序结果也表明NAGA调控与神经发育和分化相关的通路，提示NAGA可能通过影响神经发育介导疾病风险。最后，我们在中国人群样本中（N = 12138）独立证实了rs1801311与精神分裂症间的关联性。该研究利用大规模遗传关联分析、功能基因组学、表观基因组学、报告基因、基因组编辑以及神经干细胞增殖分化等系列实验，揭示了错义变异rs1801311可能通过调控远端基因NAGA介导精神分裂症风险。这项研究揭示了错义遗传变异的调控功能（即其可能通过调控远端基因表达，而非通常所认为的错义遗传变异，主要影响其所在蛋白的结构或功能）及潜在的调控机制，为疾病机制的研究提供了新的视角。
该研究成果以“A missense variant in NDUFA6 confers schizophrenia risk by affecting YY1 binding and NAGA expression”为题发表于Molecular Psychiatry。中科院昆明动物所的李一凡博士研究生为本文的第一作者，罗雄剑研究员为文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、云南省科技厅创新研究团队以及云南省杰出青年项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41380-021-01125-x
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精神分裂症（Schizophrenia，SCZ）是一种病因未明的重性精神疾病。SCZ的全球终身患病率约为1%，常发病于青壮年，且不到50%患者能获得较好预后。由于高复发率、致残率和自杀率， SCZ给人类带来了沉重的精神和经济负担。SCZ的遗传力高达80%，表明遗传风险因素在SCZ中起主要作用。虽然在过去的数十年中，精神分裂症全基因组范围内的关联研究(GWAS)鉴别到系列风险遗传变异，但由于遗传异质性和连锁不平衡，如何从GWAS发现的基因座中进一步鉴别风险基因仍然是个挑战。整合组学研究为风险基因的鉴别提供了一种可行的方法，通过整合大规模的GWAS研究和表达数量性状基因座（eQTL）数据，目前已经报道了多个精神分裂症风险基因。然而，目前用于整合分析的GWAS遗传关联数据和eQTL数据均主要来自欧洲人群。
最近，中科院昆明动物所动物模型与人类疾病机理重点实验室罗雄剑课题组利用整合组学研究方法（SMR和TWAS）对来自于亚洲人群的GWAS（22,778例病例和35,362例对照样本）和eQTL（N=162）进行了整合分析，鉴定到东亚人群特异的精神分裂症风险易感基因TMEM180。不同的整合分析均提示TMEM180的表达降低与精神分裂症风险显著相关（TWAS P = 2.89×10-14，SMR P = 6.04×10-5）。进一步的表达分析表明TMEM180在SCZ患者中表达显著下调（P = 8.63×10-4）。此外，TMEM180在SCZ患者大脑中表达显著降低（P = 1.87×10-5）。最后，利用神经干细胞模型进行增殖、分化实验以及转录组分析等手段探索TMEM180在精神分裂症发病中的作用，结果表明TMEM180表达敲低造成神经发育异常，并影响发育和突触传递等SCZ相关通路。
Tmem180低表达促进神经干细胞增殖
该研究通过整合分析方法鉴别出东亚人群特异的精神分裂症易感基因TMEM180，并结合神经干细胞模型进一步阐明风险基因TMEM180在SCZ发生中的潜在致病机理。同时，该研究也表明在中国人群中开展精神分裂症遗传研究和表达数量性状基因座分析的重要性和必要性。
该研究成果以“Integrative analyses followed by functional characterization reveal TMEM180 as a schizophrenia risk gene”为题发表于Schizophrenia Bulletin。中科院昆明动物所的王俊阳博士研究生、李晓艳博士研究生和李慧娟博士研究生为本文的共同第一作者，罗雄剑研究员和肖潇副研究员为文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、云南省科技厅创新研究团队以及云南省杰出青年项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1093/schbul/sbab032
资料来源：中国科学院昆明动物研究所官网
整理：Brainnews 编辑部
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