长链非编码RNA通过H3K27me3介导的异染色质化调控前额叶皮层基因表达在重度抑郁症中的新机制

《Molecular Psychiatry》：Aberrant expression of long non-coding RNAs and their regulatory role in chromatin-mediated gene expression changes in the prefrontal cortex of major depressive disorder subjects

本研究针对重度抑郁症（MDD）的分子病理机制尚不明确的现状，研究人员聚焦于长链非编码RNA（lncRNA）在背外侧前额叶皮层（dlPFC）中的表达谱及其调控作用。通过整合lncRNA微阵列、PIRCh-seq和mRNA表达谱分析，研究发现MDD患者脑中存在大量表达异常的lncRNA，其中60个上调的lncRNA通过与H3K27me3标记的异染色质区域相互作用，导致24个与神经元功能相关的蛋白编码基因表达下调。该研究首次揭示了lncRNA介导的异染色质化在MDD发病中的关键作用，为理解抑郁症的表观遗传调控机制提供了新视角，并为开发新型治疗靶点奠定了理论基础。

　　

在当今社会，重度抑郁症（Major Depressive Disorder, MDD）已成为全球致残的主要原因之一，给患者及其家庭带来了沉重的负担。尽管抗抑郁药物种类繁多，但仍有相当一部分患者对治疗反应不佳，无法达到临床缓解。这背后隐藏着一个核心科学问题：我们是否真正理解了抑郁症的分子根源？近年来，科学家们逐渐将目光投向了表观遗传学——一种不改变DNA序列却能调控基因表达的机制。其中，长链非编码RNA（Long Non-coding RNA, lncRNA）作为一种新兴的调控分子，因其能够响应环境压力并精细调控基因表达，被认为是连接环境因素与基因表达的关键桥梁，在神经精神疾病的发病中扮演着重要角色。

为了深入探索lncRNA在MDD中的具体作用，来自阿拉巴马大学伯明翰分校的Yogesh Dwivedi和Bhaskar Roy团队在《Molecular Psychiatry》杂志上发表了一项开创性研究。他们提出一个大胆的假设：在MDD患者的大脑中，压力诱导的lncRNA表达上调，可能会通过招募染色质修饰复合物，导致特定基因区域的异染色质化，从而沉默那些对情绪调节至关重要的基因。

为了验证这一假说，研究人员开展了一项多组学整合研究。他们首先利用Arraystar Human LncRNA Microarray v5.0平台，对59名MDD患者和41名非精神病对照者的背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, dlPFC）样本进行了全基因组lncRNA表达谱分析。为了深入探究lncRNA与染色质之间的相互作用，他们采用了PIRCh-seq（Pull-down of Interacting RNAs with Chromatin Immunoprecipitation followed by sequencing）技术，这是一种能够特异性捕获与特定组蛋白修饰（如H3K27me3）相互作用的RNA分子的先进方法。此外，他们还对同一批样本进行了mRNA表达谱分析，以全面评估lncRNA调控下游基因表达的功能性后果。通过生物信息学分析，包括共表达网络构建、基因本体论（Gene Ontology, GO）富集分析和通路分析，研究人员系统地揭示了lncRNA在MDD发病中的调控网络。

研究结果

MDD患者dlPFC中lncRNA表达谱发生显著改变

研究人员首先对MDD患者和对照组的dlPFC样本进行了lncRNA表达谱分析。结果发现，与对照组相比，MDD组中有1625个lncRNA显著上调，1439个lncRNA显著下调。这些表达差异与年龄、性别、死后间隔（Postmortem Interval, PMI）或脑组织pH值等混杂因素无关，表明这些lncRNA的表达改变是MDD特异性的。对lncRNA的生物型（biotype）分析显示，大多数差异表达的lncRNA属于基因间区（intergenic）和天然反义（natural antisense）类型，这两类lncRNA在调控染色质动态和顺式调控转录抑制中发挥着重要作用。

MDD患者脑中存在更复杂的lncRNA共表达网络

为了探究lncRNA之间的相互作用，研究人员构建了共表达网络。他们发现，MDD组的lncRNA共表达网络比对照组更为复杂和密集，形成了更多的相互作用。在MDD组中，共识别出478个lncRNA-lncRNA相互作用，而对照组仅有106个。这种复杂的网络结构表明，在MDD状态下，lncRNA可能作为一个整体，协同调控下游基因的表达，从而对大脑功能产生更广泛的影响。

PIRCh-seq揭示MDD特异性lncRNA与异染色质标记H3K27me3相互作用

为了直接验证lncRNA是否参与了染色质调控，研究人员利用PIRCh-seq技术，特异性捕获了与H3K27me3（一种异染色质标记）相互作用的lncRNA。结果发现，在MDD组中，有60个lncRNA显著富集于H3K27me3标记的染色质区域。这60个lncRNA与微阵列分析中发现的显著上调的lncRNA高度重合，提示这些lncRNA在MDD中不仅表达上调，而且直接参与了异染色质化过程，可能通过招募PRC2-EZH2等染色质修饰复合物，导致基因沉默。

lncRNA介导的异染色质化导致关键神经元基因表达下调

为了探究lncRNA调控染色质状态的功能性后果，研究人员分析了mRNA的表达谱。他们发现，在MDD组中，有1279个基因表达下调，733个基因表达上调。进一步分析显示，这60个与H3K27me3相互作用的lncRNA，其表达水平与24个邻近的蛋白编码基因的表达呈负相关。这24个基因在GTEx数据库中显示出脑组织特异性富集，表明它们在大脑功能中扮演着重要角色。

功能富集分析揭示突触功能受损是核心病理改变

为了阐明这24个被沉默基因的生物学功能，研究人员进行了基因本体论（GO）和通路富集分析。结果显示，这些基因主要富集在与突触功能相关的通路上，包括突触小泡循环、突触小泡胞吐、神经递质释放、神经元发育和分化等。通过构建蛋白质-蛋白质相互作用（Protein-Protein Interaction, PPI）网络，研究人员进一步识别出几个关键的调控枢纽基因，包括GSK3B、CREB、CAMK2A、SNAP25、FOSB和mTOR。这些基因在突触可塑性和情绪调节中发挥着核心作用，它们的表达下调可能直接导致了MDD患者突触功能的损害。

研究结论与讨论

本研究首次系统地揭示了lncRNA在MDD发病中的新机制。研究结果表明，在MDD患者的dlPFC中，存在大量表达异常的lncRNA。其中，一个由60个lncRNA组成的子集，通过与H3K27me3标记的异染色质区域相互作用，介导了染色质沉默。这种lncRNA驱动的异染色质化，导致了下游24个关键神经元基因的表达下调，这些基因主要参与突触小泡循环、神经递质释放和突触可塑性等核心神经生物学过程。

这一发现具有重要的科学意义。首先，它揭示了lncRNA不仅是MDD的分子标记，更是主动参与疾病发生的调控者。其次，它阐明了lncRNA通过表观遗传机制调控基因表达的具体路径，为理解环境压力如何通过分子机制“编程”大脑功能提供了新的视角。最后，该研究识别出的60个异染色质相关的lncRNA，以及它们调控的24个下游基因，为开发新型抗抑郁治疗靶点提供了宝贵的候选分子。未来，针对这些lncRNA或其下游通路的干预，或许能够逆转突触功能损害，为那些对现有抗抑郁药物反应不佳的患者带来新的希望。