单分子DNA分析揭示双相情感障碍患者脑线粒体DNA异质性变异的病理学意义

为解决双相情感障碍（BD）遗传机制不明的问题，日本顺天堂大学团队通过单分子条形码测序技术，分析了163例脑组织样本中线粒体DNA（mtDNA）异质性变异。研究发现BD患者脑组织中超罕见异质性变异（VAF>1%）显著富集，包括致病性m.3243A>G突变、功能缺失（LoF）变异及rRNA变异，而低水平变异（VAF<1%）无显著差异。该研究为BD的线粒体靶向治疗提供了分子分型依据，发表于《Molecular Psychiatry》。

　　

双相情感障碍（Bipolar Disorder, BD）是一种以躁狂和抑郁反复发作为特征的重性精神疾病，全球患病率达1%，给社会带来沉重负担。尽管现有药物能缓解症状，但治疗抵抗性和长期用药需求仍是重大挑战。目前BD的诊断和治疗主要依赖症状学评估，缺乏客观的生物学标志物。虽然全基因组关联研究（GWAS）已发现BD与突触功能、脂肪酸代谢相关基因的关联，但约30%的BD遗传风险仍无法解释。值得注意的是，线粒体功能障碍与神经精神异常密切相关——线粒体不仅是细胞的能量工厂，还参与钙离子调节等关键神经活动。临床观察显示，线粒体疾病患者常伴发精神症状，尤其是携带m.3243A>G突变（导致MELAS综合征）的个体患BD风险增加12.8倍。这些线索提示，线粒体DNA（mtDNA）异质性变异（即同一细胞内野生型与突变型mtDNA共存）可能是BD的重要病理机制。

为验证这一假说，日本顺天堂大学Tadafumi Kato和Masaki Nishioka团队在《Molecular Psychiatry》发表研究，采用创新的单分子条形码测序技术（duplex molecular barcoding sequencing），对54例BD患者、54例对照和55例精神分裂症（SZ）患者的163份脑组织样本进行超深度mtDNA测序（平均深度68,500×）。研究设立两种模型：模型1假设少数高丰度（VAF>1%）的致病性变异（如发育早期突变或母系遗传）通过损害神经功能致病；模型2则认为大量低丰度（VAF<1%）非特异性变异的累积导致线粒体功能渐进性衰退。

关键技术包括：1）使用斯坦利医学研究所提供的死后脑组织DNA样本（额叶皮层58例、颞上回105例）；2）双链分子条形码标记实现单分子分辨率检测，理论错误率低于1.0×10^-7/碱基；3）建立"批量分析流程"检测高/中VAF变异（VAF>1%），"单分子流程"分析低VAF变异（VAF<1%）；4）通过靶向扩增测序（TAS）验证候选变异。

研究结果
高/中VAF异质性变异分析
在VAF>1%的变异中，BD组超罕见变异（gnomAD和ToMMo54KJPN数据库未收录的纯合变异）显著多于对照组（P=0.0252），尤其是rRNA变异（P=0.0270）。6个超罕见rRNA变异中4个具有高致病性评分（MLC>0.5），其中1个MLC评分（0.896）甚至超过m.3243A>G（0.851）。值得注意的是，2例BD患者检出MELAS相关m.3243A>G变异（VAF 1.1%和8.6%），与既往研究形成佐证。此外，BD/SZ组发现4个超罕见功能缺失（LoF）变异（如MT-CO1基因m.6289A>AC），而对照组未检出。

低VAF变异单分子分析
52,312个低VAF变异（VAF<1%）显示：1）BD与对照组在每碱基突变频率（约6.84×10^-6）无显著差异（P=0.137）；2）突变谱分析显示三核苷酸背景的C>A突变在低VAF变异中更常见（余弦相似性0.636），但BD与对照组突变模式高度相似（余弦相似性0.959）；3）年龄增长与突变频率正相关（P=0.00564），颞上回突变率高于额叶皮层（P=5.40×10^-6）。

结论与意义
该研究首次通过单分子分辨率证实：BD患者脑组织存在特异性超罕见线粒体变异（尤其是m.3243A>G、rRNA和LoF变异）的富集，而非低VAF变异的广泛累积。这些变异可能通过母系遗传或胚胎早期突变产生，在神经高能量需求区域达到功能损害阈值。研究为BD的分子分型提供了新依据——约7.4%的BD患者（4/54）携带明确致病性mtDNA变异，提示针对线粒体功能的精准治疗策略（如已有MELAS治疗药物）可能对该亚群有效。

局限性包括样本量较小（尤其女性对照不足）和缺乏临床代谢数据。未来需扩大样本验证m.3243A>G等变异的临床关联性，并探索其在外周组织的检测可行性。该研究开创性地将单分子测序技术应用于精神疾病研究，为理解BD异质性和开发靶向疗法提供了新视角。