精神分裂癥是一種重性精神疾病，其特點是存在一系列癥狀，包括陽性癥狀(幻覺、妄想、異常集中和運動障礙)、陰性癥狀(冷漠、缺乏快感、貪婪和扁平化)，以及認知癥狀(管理功能和注意力方面的缺陷)。雖然精神分裂癥的主要病因尚未被確認，但有大量證據表明基因DNA序列的變異、表觀遺傳修飾改變以及蛋白表達水平差異在精神分裂癥的發病機制中起著重要作用。
近日，來自芬蘭東方大學維爾塔寧分子科學研究所以及赫爾辛基大學神經科學中心的?árka Lehtonen 教授、Jari Koistinaho教授團隊將相關研究成果共同發表在了NatureCommunications上。研究者使用誘導多能干細胞衍生的神經元進行建模，并且使用誘導自精神分裂癥的單卵雙胞胎多能干細胞衍生的神經元，從而最小化遺傳異質性，增強疾病特異性信號。蛋白質組學分析結果揭示了精神分裂癥更多地與糖胺聚糖、GABA能突觸、唾液酸化和嘌呤代謝途徑的改變相關。cAMP和WNT信號通路、神經元分化和突觸功能也可能在家族性精神分裂癥和攜帶滲透性遺傳變異的患者中發生改變。
研究同時發現了精神分裂癥的性別特異性：盡管在健康的男性和女性之間，所有19462個基因中只有12％表達差異，但多達61％的疾病相關基因是性別特異性的。這意味著病理生理學在男性和女性之間存在差異，并且可以解釋為什么癥狀通常出現在青春期后，以及許多性別特異性基因的表達發生變化，并表明了需要性別特異性治療。
研究精讀
1、與家族風險相關的RNA表達分析
首先，選取六人作為健康對照，同時選取五對不一致的同卵雙胞胎作為實驗組（兩對有精神分裂癥家族史）產生并充分表征了iPSC系（病例樣本來源）。PANSS評分在30到49之間認為健康（未受影響，表示為HT），PANSS評分在53至113（受影響，表示為ST）。作者選擇將細胞分化為表達GABA能和谷氨酸能神經元標志物的皮質神經元，主要因為它們是精神分裂癥中受影響最嚴重的細胞之一（圖1）。
圖1g顯示了HT雙胞胎和健康對照（與沒有臨床疾病的精神分裂癥的家族風險相關）、ST雙胞胎和健康對照（與家族風險和臨床疾病相關）、 ST和HT的雙胞胎之間（純粹與臨床疾病相關）差異表達基因（DEG）的數量。圖2e結果表明RPS4Y1和DDX3Y是男性雙胞胎中有共同家族風險的最強信號，并且這些Y染色體基因的上調表達的效應非常大。此外，CHL1，CNTN4，Shisa6，GAD1和GAD2也是男性家族性風險的強烈信號。
圖1 hiPSC衍生的神經元的RNA表達分析
2.性別特異性基因表達
以往的研究認為性別是與精神分裂癥相關的基因表達變化的主要決定因素，因此作者比較了健康對照中的雄性與雌性情況。來自所有19462可檢測基因中的2327個基因顯示出性別特異性表達，并且最高有246倍表達差異和964個顯著富集途徑。在女性HT的雙胞胎中，41個基因顯著不同，并且有25個基因屬于性別特異性基因（圖2c）。在ST與HT的雄性雙胞胎的比較中，具有顯著性的19個基因中有7個是性別特異性的。
圖2 不同組間基因表達比較以及性別特異性DEGs
綜上，研究結果表明，大部分與疾病相關的基因都是性別特異性的。盡管男性和女性在精神分裂癥中具有許多最終的分子途徑，但精神分裂癥的潛在主要病理生理學在男性和女性之間明顯不同，并且可能有助于該疾病的性別依賴性特征。
3.蛋白質組學分析
眾所周知，mRNA和細胞中相應的蛋白質水平相關性通常比較差。為了研究在精神分裂癥在不一致的單卵雙胞胎的皮質神經元蛋白質表達是否發生變化，作者對肽段、磷酸肽段和蛋白質水平進行了蛋白質組學分析（10標TMT，樣本策略）（圖3a-c）。在所有5個ST和5個HT的雙胞胎的比較中，發現60個蛋白質具有差異表達 (比如CAMK2G、PPP1R17、磷酸甘露糖苷酶1、ST3GAL2和SLC36A4) 以及存在379個具有標稱顯著性的富集途徑（圖3d）。
圖3 hipsc衍生的神經元的蛋白質組學分析
在雌性和雄性中分別進行蛋白質組學分析顯示，當使用性別匯集時，差異表達的精神分裂癥相關蛋白和富集途徑更多。在女性中，ST雙胞胎與健康的共同雙胞胎不同，有111種蛋白質和450種具有意義的通路改變（圖3e，f）。女性中最一致的發現是CAMK2G的上調，可將ST雙胞胎與HT的共同雙胞胎區分開來。相應地，在雄性中ST雙胞胎與未受影響的共同雙胞胎有228個差異表達蛋白和616個富集途徑（圖3d-f）。在這些蛋白質中，腺苷脫氨酶（ADA）和ST3GAL2表現出最強烈的變化。另外，差異表達的蛋白質與來自精子分裂癥不一致的同卵雙胞胎的皮質神經元中的DEGs不對應，除了COL6A3和COL6A3的下調（圖2g），這也是ST對比中基因表達中最有力的發現。
總之，研究結果發現了精神分裂癥在蛋白質和基因表達方面的劇烈變化，并且以性別特異性方式與中樞神經系統發育和各種其他途徑相關聯。此外，iPSC衍生的皮質神經元中的mRNA和蛋白質表達在健康的男性和女性中也都是不同的。
4. 電生理分析
NMDA受體和GABA能中間神經元都與精神分裂癥的病理學有關，NMDA受體的功能障礙被認為是解釋精神分裂癥癥狀的主要機制。研究已經揭示調節GABA能神經元和谷氨酸能通路的基因和蛋白質的改變。作者接下來比較了雙胞胎TRS及其健康的共同雙胞胎的雙胞胎之間，神經元中的GABA和谷氨酸的鈣反應以及如何響應標準抗精神病藥。
由于該階段的iPSC衍生神經元對應于妊娠中期早期的發育階段，因此GABAA反應在培養物中具有去極化作用。將不含鎂的甘氨酸與谷氨酸一起加入，以優先刺激NMDA受體。在雙對TRS中，氯氮平治療之前或之后，健康和ST雙胞胎之間對GABA的鈣響應沒有顯著差異（圖4），而在非TRS病例的雙對中，響應顯著較小。這些數據表明神經元鈣反應的調節在TRS和精神分裂癥中對標準抗精神病藥的反應受到差異，并且氯氮平治療可以消除精神分裂癥患者的胚胎狀態神經元中對GABA和谷氨酸的改變的神經元鈣響應。
圖4 受影響和未受影響的雙胞胎自發性神經元活動和神經元鈣成像
綜上所述，運用蛋白質組學技術和轉錄組技術，研究揭示了對精神分裂癥中iPSC衍生神經元中GABA和谷氨酸暴露的反應的研究。作者觀察到ST雙胞胎與健康雙胞胎相比，胚胎神經元中NMDA特異性谷氨酸或GABA暴露的異常鈣反應，以及氯氮平處理后差異的消失。這也意味著早期氯氮平類型的治療可能會阻止導致全面疾病發展的級聯。但是，該研究的結果是基于少數受試者，還應進一步擴大病例樣本量。
總之，通過研究疾病不一致的單卵雙胞胎，研究者最小化了iPSC衍生神經元中受影響和健康個體之間的疾病無關噪聲，確定了與單卵雙胞胎中精神分裂癥的共同風險相關的因素，以及與疾病的實際發作相關的分子途徑和神經元電生理異常。此外，該研究也指出了精神分裂癥的病理生理學在男性和女性之間存在差異，并表明需要針對性別的治療。 參考文獻Tiihonen, J., et al., (2019). Sex-specific transcriptional and proteomic signatures in schizophrenia. Nat Commun.
轉載于 Dr.Proteomics 精準醫學與蛋白組學
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