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这篇综述聚焦神经表观遗传学，探讨脑部疾病相关基因，为靶向治疗提供方向。
### 引言
真核生物基因组由双链 DNA 构成，其在细胞核中凝缩成染色质。染色质的基本重复单元是核小体，由 147 个碱基对的 DNA 缠绕在包含 H3、H2A、H2B 和 H4（或其变体）的组蛋白八聚体上。组蛋白的 N 端和 C 端 “尾巴” 可进行多种翻译后修饰（PTMs），这些修饰能改变染色质状态，影响基因表达。此外，DNA 碱基对可被甲基化，转录因子（TFs）能与特定 DNA 基序结合，ATP 依赖的染色质重塑复合物可重塑染色质结构，mRNA 也能进行转录后修饰，如 N
6- 甲基腺苷（m
6A）。
在过去 15 - 20 年，脑部的表观遗传修饰及其调控成为研究重点。人类大脑包含约 860 亿个神经元和 850 亿个支持细胞，神经元的可塑性依赖于内外刺激的整合，而表观遗传调控在其中发挥重要作用。近年来，DNA 和 RNA 测序技术的进步为研究神经基因组和转录谱提供了大量数据，但仍需深入探究其机制，以实现从研究成果到治疗方案的转化。
神经生物学风险基因的鉴定与早期表征
- 通过基因组测序进展鉴定神经生物学风险基因：早期对脑部疾病相关突变的鉴定常依赖对特定疾病患者的小样本测序，如在雷特综合征中鉴定出甲基 - CpG 结合蛋白 2（MECP2）突变。随着测序技术发展，全基因组关联研究（GWAS）、全外显子测序（WES）、全基因组测序（WGS）和长读长测序（LRS）等方法被广泛应用，可在更大患者群体中鉴定疾病相关的基因组变异，包括单核苷酸多态性（SNPs）、拷贝数变异（CNVs）等。RNA 测序技术，如单细胞（sc）和单核（sn）RNA - seq、ATAC - seq（转座酶可及染色质测序）和空间转录组学，有助于深入了解组织和细胞类型特异性的风险基因。
- 在多种脑部疾病中鉴定出与表观遗传学相关的风险基因：先进的测序方法已在多种神经发育、精神、神经退行性和物质使用障碍中鉴定出风险基因，许多基因在不同疾病状态下重叠，如在自闭症谱系障碍（ASD）、注意力缺陷多动障碍（ADHD）、精神分裂症、肌萎缩侧索硬化（ALS）、阿尔茨海默病（AD）和帕金森病等疾病中均有涉及。转录因子的变异会影响下游基因表达，染色质重塑剂和组蛋白修饰剂的变异也与多种疾病相关，组蛋白本身的突变同样会对神经系统功能产生影响。
- 利用啮齿动物和细胞模型对与表观遗传学相关的风险基因进行表型研究：鉴定出风险基因后，常利用动物或细胞模型研究其突变的生理影响。以 ASD 风险基因 CHD8 为例，Chd8 单倍体不足的小鼠表现出 ASD 样行为，在细胞模型中，CHD8 功能缺失突变会影响神经元的电活动和染色质结构。不同模型系统各有优缺点，需综合运用以深入了解风险基因的功能。
脑部表观遗传修饰和修饰剂的生化与机制表征
- 神经表观遗传学研究常受低样本量和高复杂性的限制：在脑部研究表观遗传现象面临诸多挑战，如神经细胞培养模型有限、原代神经元培养系统中基因操作困难、大脑细胞类型和回路异质性以及可用于生化分析的细胞数量少等。传统生化方法在研究细胞类型特异性的表观遗传修饰和染色质 / 核酸修饰剂时受到限制，尽管有多种方法可用于研究表观遗传修饰和因子，但这些技术通常需要大量细胞，限制了其应用。
- 现代检测方法实现了对脑部表观基因组的高分辨率研究：为解决细胞输入问题，近年来开发了一些新方法，如 CUT&RUN 或 CUT&TAG 测序，可从低输入样本中评估表观遗传修饰和转录因子。此外，还有多种方法可用于检测 DNA 和 RNA 修饰，如亚硫酸氢盐测序和 m6A 特异性甲基化 RNA 免疫沉淀（MeRIP - seq）等。ATAC - seq 可用于研究染色质可及性，单细胞和空间测序技术的发展为研究脑部疾病的细胞异质性提供了更全面的视角。
- ATP 依赖的染色质重塑剂亚基突变是脑部疾病的驱动因素：ATP 依赖的染色质重塑剂在控制染色质结构和转录输出中起重要作用，其突变与多种脑部疾病相关。例如，SWI/SNF 复合物的多个亚基突变与神经发育障碍相关，ARID1B 突变会导致小鼠出现智力障碍和 ASD 样行为，SMARCA2 与精神分裂症风险基因相互作用。在唐氏综合征中，BRWD1 基因的异常表达会影响染色质调控，恢复其拷贝数可部分挽救相关缺陷。
- 染色质修饰复合物具有脑部特异性变体，与神经发育障碍有关：多梳抑制复合物（PRC1/2）等染色质调节家族在脑部有特异性变体，如非经典多梳抑制复合物 1.3 和 1.5（ncPRC1.3/1.5）与 ASD 相关。神经元 BAF 复合物的亚基突变也与疾病相关，如 CREST 突变与 ALS 相关，影响神经炎症和运动功能。研究脑部特异性染色质修饰和重塑复合物有助于揭示神经发育的复杂机制，为治疗脑部疾病提供靶点。
- 组蛋白变体在脑部独特表达且易发生突变：神经元在人体中是独特的细胞类型，其发育过程中几乎所有神经元在 18 个月大时就已形成。神经元中的组蛋白沉积和周转与其他组织不同，主要通过伴侣介导的方式进行，复制非依赖型组蛋白变体在其中起重要作用。例如，组蛋白 H3 变体 H3.3 在神经发育过程中逐渐取代经典 H3 组蛋白，其动态变化与神经元可塑性、学习和记忆相关。H3.3 的突变与多种疾病有关，其他组蛋白变体如 H2A.Z 和 H2BE 也在脑部功能中发挥独特作用。
- 新型组蛋白 PTMs 在多种情况下影响脑部转录：除常见的组蛋白 PTMs 外，还有许多新型修饰，如组蛋白丁酰化、乳酰化、ADP - 核糖基化、巴豆酰化和单胺基化等。这些修饰在脑部可能发挥重要作用，如组蛋白单胺基化可调节神经元转录，影响神经分化、感觉处理、药物成瘾、应激和抑郁相关表型以及睡眠 / 觉醒周期等。深入研究这些新型修饰的机制和相关蛋白，有望为治疗神经系统疾病提供新靶点。
- 脑部组蛋白 PTMs 在多种生理状态下通过复杂机制发生改变：组蛋白 PTMs 通过与染色质读取器相互作用影响基因表达，在脑部，这种相互作用具有细胞类型和区域特异性，且受环境因素影响。研究发现，在 AD 和精神分裂症等疾病中，组蛋白 PTMs 会发生改变，这些改变与疾病相关基因的表达变化有关。啮齿动物模型研究表明，早期生活应激会导致组蛋白 PTMs 改变，影响神经元功能和行为。了解这些变化的机制有助于开发更有效的治疗策略。
- 核酸修饰的破坏影响脑部疾病的转录和翻译：DNA 和 mRNA 修饰，如甲基化和羟甲基化，在神经表观遗传学中备受关注。DNA 甲基化在神经系统疾病中常发生改变，相关酶和结合蛋白的突变与神经发育障碍有关。mRNA m6A 修饰在脑部发育和疾病中也有重要作用，其水平失衡会影响 RNA 稳定性和神经元存活。研究核酸修饰的机制为理解脑部疾病的发生发展提供了新视角。
弥合神经表观遗传现象的基因组和生化理解之间的差距
- 癌症和干细胞的表观遗传学研究为脑部疾病的治疗方法铺平了道路：在癌症生物学和干细胞生物学领域，对组蛋白 PTMs、染色质重塑酶和 DNA/RNA 甲基化的研究为理解疾病机制和开发治疗方法提供了重要基础。许多针对表观遗传修饰剂的药物已被批准用于癌症治疗，神经表观遗传学希望借鉴这些经验，深入了解脑部疾病的表观遗传机制，为患者提供有效的治疗选择。
- 利用化学生物学工具研究脑部组蛋白修饰：为研究组蛋白 PTMs 在脑部的因果影响，需要开发新的遗传和化学生物学工具。例如，通过病毒载体介导表达野生型和突变型 H3.3，利用工程化转录因子或 dCas9 融合蛋白进行位点特异性操纵，以及利用内含肽化学产生位点特异性组蛋白 PTMs 等方法，可深入研究组蛋白修饰的机制，但这些方法也存在一定的局限性，需要严格验证和进一步研究。
- 鉴定表观遗传蛋白结构、修饰和物理相互作用伙伴的重要性：尽管通过啮齿动物和人类细胞模型对风险基因进行了广泛研究，但仍有许多问题待解决，如疾病相关蛋白突变对细胞和分子输出的影响，以及这些突变对蛋白质 - 蛋白质相互作用和结构变化的影响。利用体外实验，如肽 PTM 结合阵列、蛋白质结构解析技术和质谱分析等，可深入研究这些问题，并为开发治疗策略提供依据。
针对脑部疾病中神经表观遗传失调的新兴技术和治疗方法
- 需要开发针对脑部疾病的表观遗传药物和递送方法：表观遗传学疗法在癌症治疗中取得了一定进展，但在脑部疾病治疗中面临挑战，如药物需穿越血脑屏障（BBB）。目前一些治疗脑部疾病的药物，如丙戊酸盐和选择性 5 - 羟色胺再摄取抑制剂（SSRIs），可能通过影响表观遗传过程发挥作用，但具体机制尚待深入研究。开发新型表观遗传药物和优化递送方法，如利用纳米颗粒和 BBB 穿越共轭物，对于治疗脑部疾病至关重要。
- 利用不断发展的分子工具操纵基因表达作为治疗策略：许多神经系统疾病由关键表观遗传修饰基因的特定突变引起，CRISPR - Cas9 基因编辑技术为治疗这些疾病提供了潜在途径。通过静脉注射或 AAV 病毒递送 CRISPR - Cas9 系统，可实现基因编辑。此外，还有其他技术，如单碱基编辑、dCas9 介导的基因激活、PROteolysis targeting chimeras（PROTACs）和反义寡核苷酸（ASOs）等，也为治疗脑部疾病提供了新的策略，但这些技术仍需进一步研究和优化。
结论：神经表观遗传治疗的未来
在过去二十年，众多研究人员在神经表观遗传学领域取得了显著进展，鉴定出许多与脑部疾病相关的遗传变异，并对其作用机制有了一定了解。然而，在确定遗传变异及其分子 / 生化作用机制方面仍存在差距。未来，整合多学科研究成果，结合传统和新型生化工具，将有助于更全面地理解这些遗传变异对人类健康的影响，为开发针对人类患者的靶向治疗提供依据。
