PNAS︱许琪团队发现重度抑郁症DNA甲基化生物标志物BICD2并揭示其作用机制

来源︱“岚翰生命科学”姊妹号“逻辑神经科学”

撰文︱修建波，李佳雨

编辑︱杨彬伟‍

重度抑郁症（major depressive disorder，MDD）是一种常见的精神疾病，主要表现为持久性的心境低落、动机减退及兴趣丧失等特征，其发病受遗传、环境和表观遗传学因素的多重影响，给患者、家人及社会带来巨大经济和心理负担[1]。迄今为止，重度抑郁症的诊断很大程度上依赖于临床访谈和问卷调查，并且缺乏可靠的生物标志物。DNA甲基化具有稳定和可逆的性质，与复杂疾病的病程和疗效有关，在病因学中起重要作用。目前全基因组甲基化的相关研究均显示DNA甲基化与抑郁症显著相关，但候选基因策略和全基因组甲基化关联研究均没有找到可重复的生物标志物[2]。通过同一研究下的多层次验证，基因表达联合分析以及抑郁模型动物的应用，可能寻找到可靠的生物标志物。

2022年7月18日，中国医学科学院基础医学研究所/北京协和医学院基础学院许琪教授课题组在《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表了题为“Elevated BICD2 DNA methylation in blood of major depressive disorder patients and reduction of depressive-like behaviors in hippocampal Bicd2-knockdown mice”的研究论文。该研究通过四组独立中国人群外周血样本鉴定出BICD2基因的DNA甲基化可作为重度抑郁症诊断的潜在生物标志物，并且在抑郁模型小鼠的外周血中观察到类似表型；进一步研究揭示海马区BICD2可能通过影响BDNF在重度抑郁症的发病过程中扮演重要作用。

该项工作首先通过整合分析DNA 甲基化芯片数据（n = 80）和RNA 表达谱芯片数据（n = 40），寻找到目标基因BICD2；接着，在重复验证阶段，研究者采用Sequenom MassARRAY方法通过大样本（n = 1346）验证BICD2 DNA甲基化的变化，并使用 MSE-qPCR/qPCR（methylation-sensitive restriction enzymes and a quantitative PCR）的方法在第四组独立样本中确认BICD2 DNA甲基化水平与mRNA表达水平的相关性（n = 60）；最后，在慢性不可预知温和应激（chronic unpredictable mild stress，CUMS）抑郁模型小鼠中，研究者利用MSE-qPCR/qPCR方法检测了小鼠外周血和情绪相关脑区的Bicd2 DNA甲基化与mRNA的表达，通过腺相关病毒转基因方法、基因表达分析和行为学检测等方法进行了BICD2的功能和机制研究（图1A）。

图1 重度抑郁症患者外周血DNA甲基化组和转录组分析

（图源：Xiu Jianbo, et al., PNAS, 2022）

研究结果显示，BICD2是通过DNA甲基化芯片分析得到的甲基化差异最为显著的基因，位于其3’ UTR区的cg14341177位点在重度抑郁症患者中表现为高甲基化（图1B），RNA表达谱芯片分析显示在重度抑郁症患者外周血中BICD2的mRNA表达水平下降（图1C）。Sequenom MassARRAY方法和MSE-qPCR/qPCR方法确证了上述发现（图2）。 

图2 独立样本验证MDD患者外周血BICD2 DNA甲基化变化及其和mRNA表达的相关性

（图源：Xiu Jianbo, et al., PNAS, 2022）

同时，在慢性不可预知温和应激抑郁模型小鼠的外周血中观察到了同样的现象。与外周血中的发现相反，在CUMS抑郁模型中，小鼠海马区Bicd2的DNA甲基化水平下降，mRNA和蛋白表达水平增加。在CUMS的压力刺激下，敲低小鼠海马区的Bicd2起到抗抑郁的作用（图3），进一步研究显示敲低小鼠海马区的Bicd2使得Bdnf的表达增加，这可能是其起到抗抑郁作用的原因。

图3 海马区敲低Bicd2小鼠显示抗抑郁样行为学表型

（图源：Xiu Jianbo, et al., PNAS, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究通过结合DNA甲基化芯片和表达谱芯片筛选重度抑郁症的潜在生物标志物，进一步通过两个独立队列研究证实了重度抑郁症患者外周血中BICD2存在DNA甲基化升高和表达水平下降的变化，并且利用小鼠进行了跨物种研究，在抑郁模型小鼠的外周血中，BICD2的同源区域也显示DNA甲基化升高伴随表达水平下降的改变，进一步支持了患者研究的结果。这些结果表明BICD2的DNA甲基化检测可能有助于重度抑郁症的诊断。该研究同时发现在抑郁模型小鼠的海马区，Bicd2的DNA甲基化水平降低和mRNA表达水平升高。小鼠海马区敲低Bicd2显示抗抑郁样行为学表型，这与BDNF表达水平增加，激活BDNF/TrkB/Akt信号通路有关。这些结果表明BICD2参与抑郁症的疾病过程。然而，目前研究缺乏操纵特定DNA甲基化位点的技术，以及通过操作这些甲基化位点观察是否会影响重度抑郁症疾病的发展或治疗效果。未来通过先进的基因编辑技术[3]，可能会实现体内特定DNA甲基化相关位点突变，更有力的说明靶向DNA甲基化位点在重度抑郁症发病中的作用。

原文链接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2201967119

中国医学科学院基础医学研究所/北京协和医学院基础学院作为该研究的唯一完成单位和通讯单位。许琪教授为唯一通讯作者。修建波、李佳雨、刘泽玥为本文共同第一作者。该工作受到科技创新2030—“脑科学与类脑研究”、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国医学科学院医学与健康科技创新工程、广东省重点领域研发计划等项目基金的支持。

通讯作者：许琪教授

（照片提供自：中国医学科学院基础医学研究所/北京协和医学院基础学院许琪课题组）

通讯作者简介：（上下滑动阅读）  

许琪教授，1975年1月出生。中国医学科学院长聘教授，中国医学科学院基础医学研究所研究员、博士生导师，“协和学者”特聘教授，中国医学科学院基础医学研究所副所长、北京协和医学院基础学院副院长，中国医学科学院神经科学中心常务副主任（主持工作）。“国家杰出青年基金”获得者，“长江学者”特聘教授，“万人计划”领军人才，获“中国青年科技奖”、“中国青年女科学家奖”等。许琪教授长期致力于抑郁症、难治性癫痫、精神分裂症、阿尔茨海默病等重性脑疾病的发病机制和诊断治疗靶标的研究，先后承担国家重点研发计划、中国“脑计划”、国家自然科学基金委重点项目等国家级研究课题。在Nature、Nature Structural & Molecular Biology、Neuron、Nature Communications、Molecular Psychiatry、American Journal of Psychiatry、Journal of Experimental Medicine、PNAS等国际期刊发表通讯作者SCI论文60余篇。

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参考文献

[1] J. Mill, A. Petronis, Molecular studies of major depressive disorder: The epigenetic perspective

[2] M. Li et al., What do DNA methylation studies tell us about depression? A systematic review. Transl. Psychiatry 9, 68 (2019).

[3] P. Enriquez, CRISPR-Mediated Epigenome Editing. Yale J. Biol. Med. 89, 471–486 (2016).

本文完