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癫痫的多组学精准医学研究

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发表于 2017-4-26 20:51:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 ydchen 于 2017-5-1 20:58 编辑

【述评】癫痫的多组学精准医学研究
原创 2017-04-17 肖波 龙泓羽 中华神经科杂志 中华神经科杂志


文章来源:中华神经科杂志, 2017,50(04): 241-244
作者:肖波 龙泓羽

癫痫是神经系统的第二大常见疾病,困扰着各年龄段人群的身心健康,被世界卫生组织列为全球重点防治的五大神经精神疾病之一。癫痫的发病机制十分复杂,一般认为遗传因素在其中起到主要作用。在最近的十几年里,从基因组学、表观基因组学、转录组学等层面发现了许多与癫痫发生相关的因素,但仍不足以全面地解释癫痫的发病机制。利用单一组学数据对癫痫进行研究具有明显的局限性,而通过对多种层次的高通量组学数据进行整合分析已成为未来精准医学研究的重要发展方向。多组学研究将为癫痫发生与发展的研究提供新的思路,并对癫痫的早期诊断、个体化治疗等提供新的理论依据。

一、癫痫相关组学研究概况

(一)基因组
全基因组关联分析(genome-wide association studies, GWAS)的问世为人们打开了一扇通往研究复杂疾病的大门,它在全基因组的范围内搜索疾病的易患基因,为探索癫痫的发病机制提供了新的线索。2010年,Kasperaviciūte等[1]在Brain杂志上发表了第1篇有关癫痫的GWAS研究,该研究对3 445例部分性癫痫患者和6 935名健康对照者的基因芯片结果进行了对比分析,但未能发现与癫痫发病相关的易患位点,作者认为部分性癫痫表型和遗传的复杂性是未能发现阳性结果的主要原因。2014年,国际抗癫痫联盟在Lancet Neurology杂志上发表了1篇针对既往癫痫GWAS研究的荟萃分析,一共荟萃了8 696例癫痫患者和26 157名健康对照者,结果发现2q24.3位点的SCN1A基因和4p15.1位点附近的PCDH7基因可能是癫痫的易患基因。研究者进一步将癫痫细分为全面性癫痫和部分性癫痫后发现,2p16.1位点附近的VRK2和FANCL基因可能是全面性癫痫的易患基因,但并未发现与部分性癫痫相关的易患基因[2]。另外,全基因组测序和外显子组测序技术也被广泛应用于发现新的癫痫致病基因。迄今为止,已发现58个基因异常经过证实与癫痫的发病相关。如相关研究发现SCN1A突变可引起Dravet综合征、全身性癫痫伴热性惊厥附加症(GEFS+综合征)等,而SCN2A突变主要表现为良性家族性婴儿惊厥等。同样是钠离子通道的基因突变,SCN1A基因突变避免使用钠离子通道阻滞剂,而针对SCN2A突变,应用钠离子通道阻滞剂对癫痫控制有效,因为前者为"loss of fuction",而后者为"gain of fuction"。随着高通量测序和分析技术的不断发展,人们将会发现更多的基因组变异,对变异与疾病之间的关系也将会有更为全面和深入的理解。

(二)转录组

转录组包括编码蛋白的mRNA和各种非编码RNA。早期的芯片技术只能检测已知基因的表达水平,新近以RNA-seq为代表的转录组学研究方法已经可以检测新的转录本、可变剪接、基因融合和单核苷酸多态性(SNP)等。Hendriksen等[3]利用基因表达序列分析技术分析电刺激点燃的癫痫大鼠海马组织标本,发现存在92个基因的差异表达,其中参与核糖体蛋白质生成、加工及轴突生长基因表达的差异最为显著,通过进一步研究证实了这些基因主要与轴突的生长和再生、信号转导等相关。除了传统的mRNA研究外,miRNA和lncRNA等非编码RNA也越来越受到研究者们的关注。通过对动物模型和手术切除的癫痫患者组织的全基因组miRNA表达进行分析,发现了一批与细胞增殖、分化和迁移以及突触重塑、炎症相关的miRNA,在癫痫的发生过程中扮演了重要角色。如在动物模型和颞叶癫痫患者慢性发病的过程中发现miR-187表达下调,后者可通过抑制肿瘤坏死因子和白细胞介素-6、白细胞介素-12等前炎性细胞的活素产生而起到抑制炎症的作用;而miR-9在颞叶癫痫中则表达上调,通过抑制kappa-B1等细胞核因子的转录而促进炎症发生[4,5],从而影响癫痫的进展。

(三)表观组

生命的遗传信息从来就不是基因所能完全决定的,在相应的基因碱基序列没有发生变化的情况下,疾病的表型却可以表现各异。在这种不影响DNA序列的情况下改变基因组修饰的研究,即为表观遗传学。2009年,美国科学家公布了首张人类表观基因组图谱,该成果将表观遗传学称为基因、疾病和环境之间"迷失的桥梁"。表观遗传学的具体机制包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、二磷酸腺苷核糖基化等,其中针对DNA甲基化对癫痫发生影响的研究较为深入。最近的相关研究表明,与婴儿痉挛症和多种癫痫综合征相关的Rett综合征是由MeCP2基因的甲基CpG结合域蛋白的表达和功能异常所致[6]。另外,Kobow等[7]在癫痫患者的脑组织中发现了RELN基因启动子的高甲基化改变。大鼠的全基因组DNA甲基化研究显示,癫痫急性发作时,海马区有312个基因的甲基化程度发生了变化,其中超过90%呈低甲基化改变。相反,在慢性癫痫的模型中,多数基因呈高甲基化改变[8]。因此,推测从癫痫急性发作到慢性癫痫的形成过程中经历了从低甲基化到高甲基化的转变,其机制目前尚不明确,认为可能与甲基转移通路中的脱甲基酶有关。而针对颞叶癫痫患者脑组织的相关研究也得到了类似的结果,通过基因本体分析,发现这些异常的甲基化基因参与了离子结合、氧化还原酶活动等分子功能,并与生长发育、神经元重塑等生物学过程有关[9]。

二、癫痫的多组学研究思路

癫痫的发生发展是一个持续的多过程的连锁事件,一个层面的数据改变很难解释癫痫发病的整个过程。当前整合基因组、转录组和表观组等多个层面的数据已成为研究的热点。将多个层面的数据关联起来进行整合分析,可有效去除单个层面的随机事件,并观察到癫痫真正的致病因素在各个层面的不同变化,从而探究这些因素的作用机制,寻求最有效的治疗措施。癫痫多组学研究的首要步骤是对不同来源的数据进行标准化处理,然后通过比较建立不同组学数据之间的关联性和差异性,进而根据这种内在联系在不同层面上对癫痫的致病因素进行筛选过滤,最终的目标是构建癫痫发生、发展演变的分子模型。多组学数据的分析



(一)基因组与转录组

虽然单独的全基因组分析发现了很多与癫痫相关的基因,但这些基因如何导致癫痫的发生目前仍不清楚。同样,单独使用转录组测序也会遇到人群基因型个体差异的巨大难题。通过整合基因组数据和转录组数据为研究者探讨癫痫的发生机制提供了一个新的策略。已有研究通过多重链接依赖性探针扩增、荧光原位杂交和SNP芯片技术确定了3例lp36微缺失综合征患者,同时应用实时PCR检测患者外周血中PEX10基因的mRNA表达水平。结果发现3例患者均存在1p亚端粒区拷贝数变异,其中有癫痫症状的2例患者拷贝数异常区域包括PEX10基因,另外1例无癫痫症状的患者PEX10基因拷贝数正常。同时PCR结果发现2例有癫痫症状的患者与健康人相比,PEX10基因的mRNA水平发生明显变化。因此推测PEX10基因的拷贝数变异导致PEX10基因mRNA水平的表达异常,可能与该区域伴发的癫痫有关[10]。

(二)基因组与表观组

基因组与表观组数据的整合基础在于两者互为因果的关系。如甲基化相关基因序列的变化会影响酶的功能,而酶功能的改变会进一步改变表观的修饰状态。反之,基因组稳定性相关基因的表观调控变化会改变基因组序列。通过基因组和表观组数据的整合,人们可以对两者在癫痫发生发展中的作用机制产生更加深入的理解。既往研究发现,许多与癫痫相关的SNP位于非编码区,虽然这些SNP并非通过直接改变蛋白的功能而影响癫痫易患性,但其很有可能通过表观遗传机制影响癫痫的发生发展。有研究通过分析位于ncRNA基因和ncRNA靶点基因上的SNP,发现这些SNP可能在ncRNA的调控机制中起"开关"作用。

(三)转录组与表观组

基因表达除了受到自身启动子、增强子和沉默子等顺式调控元件的调控作用外,也受到像转录因子和表观遗传修饰等的反式调控作用。通过转录组测序数据可以鉴定差异表达基因和相应的调控通路。通过表观遗传组分析可以精确定位转录因子和其他调控蛋白的基因组区域。基因表达数据和表观组数据的整合有助于人们了解信号通路、转录因子和基因组靶标三者之间的作用关系。在颞叶癫痫患者中,发现miR-221和miR-222表达下调,并且与星形胶质细胞内源性细胞间黏附因子1的表达相关,后者为免疫和炎性反应应答蛋白,故推测miRNA可能在癫痫发生中具有促炎症发生的作用。对匹罗卡品癫痫大鼠模型的lncRNA芯片进行研究发现,癫痫脑组织中有384个lncRNA异常表达,进一步与mRNA芯片结果联合分析发现其中54个lncRNA附近的基因表达存在异常,推测这些lncRNA对癫痫发生后基因的异常表达起到了调控作用[11]。

三、结语和展望

随着各种基于高通量测序平台的组学研究技术的发展与完善,不同层次的调控因子及其在全基因组的分布状态与癫痫的发生、发展、预后之间的关联性陆续被发掘和解析。尤其是非编码RNA、甲基化等新的致病机制和癫痫靶点研究的逐步深入,也将为癫痫的分子机制探索、早期诊断、预后和临床用药等个体化治疗提供更精准的思路和策略。

同时,癫痫的多组学研究也面临着挑战:首先,是癫痫的复杂性及对其产生的海量的临床资料的有效整合。癫痫的多组学数据库正处于高速发展阶段,如由美国国立卫生研究院牵头,美国、加拿大、英国、法国等15个国家参与的Epi4K consortium项目建立了目前国际上最大规模的癫痫致病基因的数据库,开发了多种临床疾病遗传学数据分析的算法及分析软件,制定了较为完善的样本收集、数据分析、数据库组织的标准。其次,是对多组学芯片产生海量数据分析需要高效能计算机和更加系统、有效的统计学分析方法和数理模型。我们相信,随着癫痫的临床表型分类日益精细以及癫痫多组学研究的不断深入,癫痫有望成为继肿瘤之后最有希望实现精准化医疗的重要疾病。





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发表于 2017-4-27 10:36:37 | 显示全部楼层
你好,想问下这里面的参考文献可以在哪看到?
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 楼主| 发表于 2017-5-1 20:58:47 | 显示全部楼层
chenlijuan_009 发表于 2017-4-27 10:36
你好,想问下这里面的参考文献可以在哪看到?

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