Mol Psychiatry前沿综述︱李明/李涛/胡中华联合综述精神疾病与人类基因组中的串联重复序列

撰文︱张楚祎，肖潇

责编︱王思珍

近日，来自中科院昆明动物研究所的李明课题组、浙江大学医学院附属精神卫生中心（杭州市第七人民医院）的李涛课题组和中南大学湘雅医院的胡中华课题组合作在Molecular Psychiatry上发表了题为“Revisiting tandem repeats in psychiatric disorders from perspectives of genetics, physiology, and brain evolution”的最新综述文章。文中，作者综述了精神疾病有关的遗传学、大脑生理功能、脑进化发育等领域针对人类基因组中串联重复序列变异的研究。通过回顾迄今为止利用候选基因分析、全基因组测序、功能核磁影像技术、认知功能任务测试、动物模型、以及分子生物学技术等手段的探索，作者讨论了串联重复序列对理解精神疾病遗传基础的重要性，参与疾病发生的潜在生物学机制，并分析了已有研究的局限性，提出了针对性的解决方案。

背 景 介 绍

一、串联重复序列的特征

串联重复序列（tandem repeats，TRs）是基因组中的一种变异类型，约占全基因组的6%，其序列特征是以两个或多个碱基为单位，在染色体上首尾相接地重复排列。按照重复单位中碱基个数的不同，TRs主要分为短串联重复序列（short tandem repeats，STRs） 和可变数目串联重复序列（variable number tandem repeats，VNTRs）。此类变异无论是在重复单位还是重复次数上在人群中的分布都具有很强的多态性，而它们在基因组上的广泛分布也造就了其功能多样性，如位于基因编码区的TRs可能影响蛋白的功能、修饰及定位；位于非编码区的TRs则可能通过各种转录调控机制影响基因的转录等过程。

二、串联重复序列与人类疾病

通过连锁分析，人们发现有超过50种人类孟德尔遗传病（如亨廷顿舞蹈症）是由某个基因中的TRs突变所导致，即特定TRs的出现与疾病的发生高度对应[1]。此外，TRs也很可能影响了包括精神疾病在内的一些复杂疾病的发生，例如遗传学分析发现一些TRs与精神疾病显著相关。然而，复杂疾病的发生往往受到大量遗传变异以及环境因素的共同影响，寻找具有显著效应的风险遗传位点本就是一项艰巨的任务，且TRs本身的多等位和重复片段特性也给其遗传学分析带来了一定困难，导致对影响精神疾病的TRs和有关生物学机制的认识仍十分有限。

三、基因组上影响基因表达的串联重复序列

目前人们普遍认为TRs可能通过影响基因的转录表达参与精神疾病等复杂疾病。因此，很有必要绘制基因组中TRs调控基因表达的图谱并深入探索相关生物学机制。众多研究者利用全基因组测序等手段寻找基因组上的顺式表达数量性状位点（cis expression quantitative trait loci，cis-eQTL）的TRs，并已揭示了多种TRs影响基因表达的潜在调控机制（图1）。

图1 基因组上不同位置的TRs及其功能

（图源：Xiao Xiao, et al., Mol Psychiatry, 2021）

研 究 进 展

一、串联重复序列与精神疾病遗传风险

1. 与精神疾病风险相关的串联重复序列

在早期的候选基因遗传分析中，人们即对串联重复序列与精神疾病的相关性开展了初步探索。基于精神疾病的病因假说，这个阶段的研究大多关注与神经传递有关的基因，人们分析了包括5-羟色胺转运体（SLC6A4）、多巴胺转运体（SLC6A3）、多巴胺受体D4（DRD4）以及单胺氧化酶A（MAOA）等多个基因上的TRs与精神疾病患病与否的相关性。遗憾的是，受到样本量等因素的限制，这些研究未能得到一致的结果。同时，也有研究者提出，虽然这些TRs与精神疾病的诊断不直接相关，它们仍可能影响了导致疾病发生的关键生理进程，如疾病前驱的情绪与认知损害，大脑中的结构与功能改变等。

随着高通量测序技术的发展，精神疾病的全基因组关联研究（Genome-wide association study，GWAS）广泛兴起，人们利用这种手段对TRs与精神疾病的相关性开展了进一步的探索，并揭示了一些对精神疾病发挥显著贡献的TRs，如一项代表性研究发现了一个人类独有的VNTR，该突变位于与精神疾病显著相关的10号染色体长臂的24.32区域中，在砷甲基转移酶基因（AS3MT）内[2]。该VNTR在人群中主要有2个重复片段与3个重复片段两种等位基因型，且3个重复片段的基因型在精神疾病患者中的频率显著升高。有趣的是，3个重复片段的出现会直接影响AS3MT基因的可变剪接，导致一个人类特有的全新突变蛋白——AS3MT缺少了2号和3号外显子的截短体AS3MT d2d3表达的显著上升[3]。后续研究证实AS3MT d2d3在病人脑中的表达显著高于健康对照，且可能在大脑早期发育中发挥重要功能。因此，这个VNTR不仅与精神疾病风险显著相关，且很可能直接影响了疾病的发生发展。

2. 串联重复序列是除SNP以外精神疾病遗传风险的重要组成部分

作为一类具有高度遗传力的复杂疾病，精神疾病的遗传风险一直是领域内研究的重要方向。历经二十多年，大量候选基因和GWAS研究揭示了众多精神疾病的风险位点，主要为单核苷酸多态位点（single-nucleotide polymorphism，SNP），但仍远远不足以完全解释此类疾病流行病学调查中观察到的遗传力水平。这部分尚未被鉴定出的“丢失的遗传力”也是困扰领域的一大难题。显而易见，囿于样本量和技术局限尚未得到充分研究的TRs很可能是“丢失的遗传力”中的重要组成部分。理论上来说，能够填补该“丢失的遗传力”的TRs应为与精神疾病显著相关，且与GWAS揭示的疾病相关SNP无连锁关系。

二、联重复序列与精神疾病相关的大脑生理病理异常

精神疾病患病与否的诊断虽然是最重要的终末表型，但在疾病发生发展以及有关异常累积出现的前驱阶段，携带遗传风险的个体很可能已经开始表现出一系列生理和行为改变，及时的识别这些个体，施加干预，可能是在早期预防精神疾病的关键手段。此外，精神疾病往往症状表型复杂多变，为了使有关干预更加高效、有针对性，众多研究者也致力于对同一种疾病患者或高风险人群基于表型进行分类研究。综上而言，亟需在对精神疾病患者进行细致分型的基础上解析不同表型背后的生物学机制。为此，研究人员通过解析精神疾病易感基因中TRs在大脑生理和认知等方面（称为“内表型”）的作用为理解精神疾病的分型和机制提供线索。

1. 串联重复序列与大脑功能的关系提示精神疾病病因学机制

通过功能磁共振成像分析，研究人员发现许多精神疾病风险基因上的TRs与病人或健康人特定脑区的活性或功能连接有密切联系。在美国科学院院刊上的一篇文章中，作者观察到携带儿茶酚氧位甲基转移酶基因（COMT）的特定基因型和多巴胺转运体（SLC6A3）VNTR 9次重复的基因型的精神分裂症患者在进行显性语言流畅性任务时，大脑皮层中左边缘上回的激活显著增加[4]。这表明，这两个基因可能协同调节患者的多巴胺功能和皮层处理。同样，丝苏氨酸特异性蛋白激酶基因（AKT1）中的一个VNTR也与精神疾病有关，它可以调节人脑纹状体中DRD2的可用性[5]。这些研究从一个新的角度证明了多巴胺功能失调这个经典假说在精神疾病中的重要地位。提示我们可以从疾病相关的生物学表型出发来探究TRs影响疾病发生的可能机制。

2. 串联重复序列为精神疾病寻找新药物靶点提供线索

认知功能损伤也是许多精神疾病中共同存在的重要表型，对TRs在认知功能中作用的研究还为新的治疗靶点提供了线索。KCNN3是一个编码钙激活型钾离子通道蛋白的精神分裂症风险基因，之前的研究表明该基因表达增高对应较差的认知表现，且抑制该基因的表达可以恢复小鼠的认知损伤表型。研究人员针对该基因外显子1上的一个TR不同等位的功能后果进行探究，发现重复序列多的等位基因与认知任务中较好的表现相关联，同时利用膜片钳技术也证明该等位基因会抑制钾离子通道的活性[6]，这与之前的研究结果一致，提示该基因及基因上的TR可能是治疗精神分裂症中认知损伤的潜在靶点。

三、人类大脑进化过程中的串联重复序列

本文着重关注的TRs与精神疾病GWAS中发现的大量SNPs相比，前者突变速度更快，使它们加速适应性进化，因此TRs是人类进化过程中表型变异的关键驱动因素，尤其是与精神疾病发生息息相关的大脑扩张等脑进化表型。研究人员通过对人类及其他灵长类动物的脑组织进行长片段测序，发现了1584个在人类中特异性扩张的TRs，并且其中大部分会影响基因表达变化。值得注意的是，近期一项基于人和猩猩前脑神经组细胞的测序研究发现一个转录因子ZNF558在人类中特异表达，并且该基因的表达受到一个TR的调控。作者进一步证实ZNF558调控SPATA18表达并控制线粒体质量，提示其可能是通过调控线粒体内稳态进而影响人类皮层扩张的[7]。这些研究说明经历了自然选择的TRs有可能最终带来人类独特的大脑功能特征，值得思考的是这些TRs是否在扩张人类认知功能的同时，也提高了人类出现各种其他动物中不存在的精神疾病的风险。

总 结 与 展 望

总的来说，TRs作为人类基因组上重要的功能元件，大量证明了其在精神疾病中的重要作用，但在未来的研究中，还有数个障碍需要克服。

一是TRs的多等位基因问题。目前普遍使用的全基因组关联分析方法主要是考虑双等位基因，并不适用于存在多个等位基因的TRs变异，这就需要开发一些适用于TRs的分析策略。一个可行的方法是对TRs的多个等位基因进行分类或过滤，找出在病人中频率较高的，或者有潜在功能性的进行后续分析；又或者，通过分析TRs与疾病相关的数量性状或表型的关系，进而揭示其在疾病中的作用。

二是TRs基因分型的挑战。目前GWAS中普遍使用的基于SNP芯片的分型方法，无法获取基因组上大部分的TRs变异；短片段测序无法准确分型基因组上TRs的所有等位基因，而长片段测序则花费巨大。目前有研究人员提出一个折中的方法，即利用千人组基因型数据建立了用于填补TRs变异的单倍型模板，尽管对于非双等位TRs变异来说，这种方法仅有70%左右的准确率，但也是权衡之后性价比最高的方法之一[8]。

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原文链接：https://www.nature.com/articles/s41380-021-01329-1

文章第一作者肖潇

（照片提供自李明课题组）

肖潇，中国科学院昆明动物研究所副研究员。2016年于美国约翰霍普金斯大学公共卫生学院获博士学位，长期从事人类复杂精神疾病及相关性状（创造力、认知功能等）的遗传学研究。

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1. MacDonald ME, Ambrose CM, Duyao MP, Myers RH, Lin C, Srinidhi L, et al. A novel gene containing a trinucleotide repeat that is expanded and unstable on Huntington’s disease chromosomes. The Huntington’s Disease Collaborative Research Group. Cell. 1993;72:971–83.

2. Li M, Jaffe AE, Straub RE, Tao R, Shin JH, Wang Y, et al. A human-specific AS3MT isoform and BORCS7 are molecular risk factors in the 10q24.32 schizophreniaassociated locus. Nat Med. 2016;22:649–56.

3. Cai X, Yang ZH, Li HJ, Xiao X, Li M, Chang H. A human-specific schizophrenia risk tandem repeat affects alternative splicing of a human-unique isoform AS3MTd2d3  and mushroom dendritic spine density. Schizophr Bull. 2021;47:219–27.

4. Prata DP, Mechelli A, Fu CH, Picchioni M, Toulopoulou T, Bramon E, et al. Epistasis between the DAT 3’ UTR VNTR and the COMT Val158Met SNP on cortical function in healthy subjects and patients with schizophrenia. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:13600–5.

5. Shumay E, Wiers CE, Shokri-Kojori E, Kim SW, Hodgkinson CA, Sun H, et al. New repeat polymorphism in the AKT1 gene predicts striatal dopamine D2/D3 receptor availability and stimulant-induced dopamine release in the healthy human brain. J Neurosci. 2017;37:4982–91

6. Grube S, Gerchen MF, Adamcio B, Pardo LA, Martin S, Malzahn D, et al. A CAG repeat polymorphism of KCNN3 predicts SK3 channel function and cognitive performance in schizophrenia. EMBO Mol Med. 2011;3:309–19.

7. Johansson PA, Brattas PL, Douse CH, Hsieh P, Adami A, Pontis J, et al. A cis-acting structural variation at the ZNF558 locus controls a gene regulatory network in human brain development. Cell Stem Cell. 2021;S1934-5909(21)00384-2.

8. Saini S, Mitra I, Mousavi N, Fotsing SF, Gymrek M. A reference haplotype panel for genome-wide imputation of short tandem repeats. Nat Commun. 2018;9:4397.

制版︱王思珍

本文完