《CNS Neuroscience & Therapeutics》：Shared Genetic Architecture Between Common Epilepsies and Subcortical Brain Volumes Is Associated With Cognition and Mental Health
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目的：癫痫（epilepsy）是一种常见神经系统疾病，常伴精神共病（psychiatric comorbidities）和认知损害（cognitive impairment）。神经影像学研究提示癫痫与皮层下体积异常（subcortical volumetric
目的：癫痫（epilepsy）是一种常见神经系统疾病，常伴精神共病（psychiatric comorbidities）和认知损害（cognitive impairment）。神经影像学研究提示癫痫与皮层下体积异常（subcortical volumetric abnormalities）存在关联。然而，癫痫与皮层下体积异常之间的遗传基础仍知之甚少，尤其是二者是否共享共同遗传结构。方法：为探讨多基因重叠（polygenic overlap），研究人员采用双变量因果混合模型（bivariate causal mixture model，MiXeR）分析不同癫痫亚型的全基因组关联数据（genome-wide association data）（遗传性全面性癫痫[genetic generalized epilepsy，GGE]：n=49,388，所有癫痫[all epilepsy，EP]：n=69,995，局灶性癫痫[focal epilepsy]：n=57,375）以及16种皮层下体积表型（n=33,224）。研究人员通过条件与联合错误发现率分析（conditional and conjunctional false discovery rate analyses，cond/conjFDR）识别共享基因组位点（shared genomic loci）。结果：MiXeR结果提示皮层下体积与常见癫痫之间存在大量共享遗传变异（shared genetic variants）。conjFDR分析识别出GGE与皮层下体积表型之间33个不同共享位点。这些共享位点映射到322个蛋白编码基因（protein-coding genes）。其中，49个基因与GGE和皮层下体积表型均显示出显著的表达-性状关联（expression-trait associations），322个基因中有12个还与认知、心理健康和人格相关性状有关。结论：研究人员剖析了常见癫痫与皮层下体积之间的共享遗传结构。表达-性状关联分析进一步识别出与认知、心理健康和人格相关表型相关的候选基因（candidate genes）。
癫痫（epilepsy）是影响全球超过7000万人的神经系统疾病，特征为反复、无诱因的癫痫发作，并影响生活质量。焦虑、抑郁、认知损害和人格改变等显著心理社会共病常增加癫痫负担。皮层下脑结构如杏仁核和海马在认知、心理健康和人格等域中发挥重要调节作用。神经影像研究显示，不同癫痫综合征存在皮层下体积异常：遗传性全面性癫痫（genetic generalized epilepsy，GGE）患者可见丘脑、海马、壳核和苍白球体积变化；局灶性癫痫（focal epilepsy，FE）患者较无癫痫者常见丘脑、海马、壳核、杏仁核和尾状核体积差异。部分皮层下异常在癫痫起病时已可检测，提示其可能源于早期病理过程，而非慢性发作或抗癫痫治疗。异常皮层下体积还与癫痫患者的认知缺陷、精神症状和人格变化相关。癫痫遗传贡献因亚型而异，全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）虽已识别脑结构和癫痫表型相关遗传变异，但癫痫与皮层下脑结构间的遗传重叠仍探索不足。既往采用连锁不平衡评分回归（linkage disequilibrium score regression，LDSC）的研究仅发现苍白球与GGE存在遗传相关，未发现其他皮层下结构与GGE相关；LDSC可能低估遗传共享，尤其当遗传变异对性状具有同向和异向混合效应时。双变量因果混合模型（bivariate causal mixture model，MiXeR）可纳入所有变异、不依赖效应方向估计遗传重叠；条件与联合错误发现率（conditional and conjunctional false discovery rate，cond/conjFDR）方法采用经验贝叶斯框架，可提高新风险位点及两性状共享位点的发现能力。因此，研究人员开展本研究，以评估常见癫痫与16种皮层下体积的共享遗传结构和新位点，并进一步理解其与认知、心理健康和人格的关联。
研究人员使用MiXeR以及condFDR/conjFDR方法，分析常见癫痫与16种皮层下体积表型之间的共享遗传结构，结论是二者存在实质共享遗传结构；conjFDR识别出GGE与皮层下体积表型之间33个不同共享位点，映射到322个蛋白编码基因，其中49个基因与GGE和皮层下体积表型均存在显著表达-性状关联，12个基因还与认知、心理健康和人格相关性状有关。该研究有助于理解癫痫病理生理及其共病，并识别候选基因。
关键技术方法概括：研究人员使用来自癫痫遗传关联数据库（Epilepsy Genetic Association Database，epiGAD）的癫痫GWAS汇总数据，包括EP n=69,995（27,559例，42,436对照）、GGE n=49,388、FE n=57,375；使用UK Biobank中16种皮层下体积表型数据，n=33,224。采用单变量和双变量MiXeR（v1.3）评估遗传力、多基因性、可发现性和多基因重叠。采用condFDR/conjFDR经验贝叶斯框架，排除MHC（主要组织相容性复合体，major histocompatibility complex）和8p23.1区域，阈值设为condFDR<0.01、conjFDR<0.05。采用LAVA验证局部遗传相关；采用gsMap进行空间映射并生成基因特异性评分（gene specificity scores，GSS）；采用PsychENCODE分析发育表达轨迹；采用S-MultiXcan检验共享基因表达与认知、心理健康和人格GWAS数据的关联，Benjamini–Hochberg错误发现率（false discovery rate，FDR）校正后q<0.05为显著。
研究结果如下：
3.1 基于MiXeR的多基因重叠研究：单变量模型对全部皮层下体积表型及GGE、EP表型拟合满意。癫痫SNP遗传力从EP的0.077到GGE的0.475，GGE最高；皮层下体积遗传力中等，为0.189至0.309，左尾状核最高。癫痫多基因性较高，影响性状的SNP数量为2279至2904，EP最高；皮层下体积为1110至3213。癫痫可发现性估计为4.16×10
?5至2.54×10
?4，GGE最高；皮层下体积可发现性为1.19×10
?4至3.13×10
?4，左海马最高。双变量MiXeR发现癫痫与皮层下体积存在大量共享遗传变异；GGE与皮层下结构共享44.0%–94.5%，EP共享55.5%–89.6%；皮层下体积与GGE共享43.1%–90.8%，与EP共享42.6%–84.8%。Dice系数（GGE：6.9%–56.4%；EP：13.0%–44.3%）显示不同组合共享模式。同向等位基因效应比例：GGE为34.9%–76.7%，EP为27.7%–80.0%。GGE与双侧尾状核、壳核、海马、左伏隔核、右杏仁核正相关，左尾状核最高（rho=0.725）；与其他皮层下结构负相关，右苍白球最低（rho=?0.452）。EP与左丘脑及双侧尾状核、壳核、海马、杏仁核、伏隔核正相关，右尾状核最高（rho=0.783）；与其他结构负相关，左苍白球最低（rho=?0.619）。所有癫痫表型均与苍白球负相关。FE因双变量MiXeR模型AIC（Akaike information criterion，赤池信息准则）为负且拟合功效不足而被排除。
3.2 新位点和共享遗传位点识别：以皮层下体积为条件，condFDR阈值<0.01时，识别GGE风险位点625个，合并为68个不同位点，其中18个为新位点；EP识别141个位点，合并为29个不同位点，其中12个为新位点。以癫痫为条件时，GGE识别508个与皮层下体积相关位点，合并为250个不同位点，其中9个新位点；EP识别466个位点，合并为231个不同位点，其中7个新位点。FE-体积对排除在cond/conjFDR外。conjFDR阈值<0.05时，GGE与皮层下体积发现68个共享位点，分布于丘脑、尾状核、壳核、苍白球、右杏仁核、伏隔核和腹侧间脑（ventral diencephalon，ventralDC），海马无关联；合并后为33个不同共享位点，其中19个对GGE为新，7个对皮层下体积表型为新，3个对二者均为新。EP与皮层下体积发现44个共享位点，分布于丘脑、尾状核、壳核、苍白球、右杏仁核、伏隔核和ventralDC，海马或左杏仁核无关联；合并后为21个不同共享位点，其中15个对EP为新，4个对皮层下体积表型为新，2个对二者为新。GGE-体积对与EP-体积对之间有3个不同共享位点。最显著位点为chr2: 57942325–58505679（lead SNP：rs11690710），GGE与左丘脑体积conjFDR=1.01E-04，EP与左丘脑体积conjFDR=7.80E-05。
3.3 LAVA验证：LAVA结果与conjFDR一致。GGE与皮层下体积的68个共享位点中，55个（80.9%）在两种表型中具有名义显著局部遗传力，30个显示显著局部遗传相关（FDR q<0.05），17个正相关（0.82至1.00），13个负相关（?1.00至?0.78）。EP与皮层下体积的44个共享位点中，31个（70.5%）在两种表型中具有显著局部遗传力，19个显示显著遗传相关（FDR q<0.05），10个正相关（0.70至1.00），9个负相关（?1.00至?0.94）。
3.4 功能注释：候选SNP在癫痫亚型中基因组分布相似，多数位于内含子区（GGE：58.10%；EP：65.94%）和基因间区（GGE：25.92%；EP：22.76%）。GGE有15个非同义外显子变异，EP仅1个。潜在致病性变异比例相近（CADD评分>12.37：GGE 5.20%，EP 5.08%）；调控变异比例相近（RegulomeDB评分<3：GGE 5.91%，EP 5.78%）；多数候选SNP位于开放染色质区（chromatin state评分<8：GGE 90.87%，EP 87.04%）。三向基因映射将GGE与皮层下体积共享位点候选SNP映射到322个蛋白编码基因，显著富集19个基因本体（Gene Ontology，GO）生物过程（FDR q<0.05），最显著条目包括正调控细胞过程和正调控生物过程（FDR q=7.79E-04）。EP与皮层下体积共享位点映射到159个蛋白编码基因，显著富集5个GO生物过程，包括细胞周期和正调控代谢过程。新位点映射显示，GGE新位点基因涉及细胞和代谢过程调节，EP新位点基因涉及核分裂、细胞周期和分子定位相关生物过程，皮层下结构新位点基因无显著功能富集。
3.5 共享基因发育轨迹：利用PsychENCODE时空脑表达轨迹数据，GGE和EP总体发育表达轨迹相似，但存在亚型特异差异。GGE与皮层下结构共享基因中，ventralDC和伏隔核在整个发育期维持高表达，从产前到成人期稳定；丘脑从产前早期至围产期持续下降，产后稳定；尾状核、壳核和杏仁核从产前至产后呈下降轨迹，壳核下降最明显；苍白球相对稳定。EP与皮层下结构共享基因呈现更动态的围产期转变：伏隔核和丘脑呈U型轨迹，产前早期高表达，围产期最低，产后逐渐恢复；壳核、苍白球和ventralDC相对稳定；尾状核和杏仁核逐渐下降，出生后稳定。
3.6 表达-性状关联：由于EP与皮层下体积共享基因生物学功能富集较弱，后续表达性状分析针对GGE与皮层下体积共享基因。S-MultiXcan发现187个显著关联，涉及96个基因与体积表型相关；其中49个基因也与GGE相关。TUFM、SULT1A1、NPIPB9、SULT1A2、EIF3CL和NPIPB7的脑表达水平与双侧尾状核、壳核体积及GGE显著相关。VRK2与GGE表达关联最显著，并与双侧丘脑体积相关。与conjFDR结果一致，未发现共享基因表达同时与GGE和双侧海马体积相关。共享基因存在明显侧化，更多共享基因同时连接GGE与左壳核、左杏仁核体积。空间映射显示，ABI2和FAM171A2早在E16.5胚胎组织即有脑特异性富集；ABI2与GGE和左尾状核相关，FAM171A2与GGE和左壳核相关。
3.7 认知、心理健康和人格关联：研究人员分析8项认知能力、2种核心精神疾病（焦虑和抑郁；4个GWAS数据集）和5个人格特质。使用S-MultiXcan检验322个共享基因表达与这些表型的关联，101个基因与至少一种临床表型相关；其中31个基因脑组织表达与GGE及至少一种皮层下体积显著相关。101个基因中，64个与认知表型相关，34个与心理健康相关表型相关，58个与人格表型相关。12个基因同时与三类表型相关，包括CELF1、SLC39A13、NR1H3、MTCH2、MADD、ACP2、ASAP1、RAPSN、AGBL2、C1QTNF4、FAM180B和NDUFS3。其中SLC39A13和NR1H3在前述表达-性状分析中得到支持，其脑表达与GGE及双侧苍白球体积共同相关。
讨论部分总结：研究人员揭示常见癫痫与皮层下脑体积的共享遗传结构。超过三分之一共享变异对两性状发挥相反效应，符合拮抗多效性（antagonistic pleiotropy）概念。这种同向和异向效应混合可解释既往检测到的GGE与皮层下体积弱全基因组遗传相关。跨性状策略揭示了单性状分析未发现的新位点和共享位点。共享位点可阐明癫痫与脑结构差异共病的病理生理。GGE-体积对和EP-体积对共享位点中，一个对GGE和EP均新的位点位于chr17: 65824046–66096451，位于BPTF基因内含子，lead SNP为rs1976054。既往研究显示BPTF单倍不足与神经发育障碍伴面部畸形和远端肢体异常（neurodevelopmental disorder characterized by dysmorphic facies and distal limb anomalies，NEDDFL）相关，部分患者出现癫痫发作，近期分类为BPTF相关癫痫。cond/conjFDR分析发现该新BPTF基因位点与GGE、EP和皮层下体积相关，提供GWAS证据支持BPTF基因型与GGE、EP表型关系，并提示需探索BPTF相关神经发育障碍个体的皮层下脑结构差异。conjFDR分析中海马体积与GGE和EP无关联需谨慎解释：影像GWAS捕捉一般人群而非临床癫痫队列的体积变异；GGE更与丘脑皮质回路相关；缺乏FE特异分析可能限制检测海马相关遗传信号。细胞代谢正成为癫痫共同生物学框架，GGE-体积对和EP-体积对共享基因均富集代谢过程。自发反复发作可诱导细胞代谢继发异常，脑能量代谢固有缺陷也可触发发作；线粒体蛋白、代谢底物或酶编码基因突变以及表观遗传过程功能障碍均起作用。代谢、生化和表观转录改变在癫痫病理生理中重要且相互连接。例如癫痫发作可导致腺苷释放，腺苷是RNA组分并调节S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine）依赖转甲基通路；癫痫发作表示过度能量消耗，能量危机可降低ATP（三磷酸腺苷）水平，损害RNA合成并升高腺苷影响DNA甲基化。传统药物治疗开发通常从可成药靶点如G蛋白偶联受体、离子通道和蛋白激酶开始，但代谢相关RNA、肽和蛋白改变最终导致表观遗传变化，可能构成这些靶点异常的基础；强调癫痫代谢基础可能发现新治疗途径。12个与认知、心理健康和人格相关基因中，SLC39A13和NR1H3与双侧苍白球体积及认知、心理健康和人格性状显著相关。SLC39A13是锌转运体，罕见突变导致全面认知功能障碍、严重精神病理以及最低智力和教育程度；动物模型敲除可诱导抑郁样行为，补锌可改善。NR1H3是抑制炎症的转录因子，其变异与自身免疫和神经炎症疾病相关，包括抗NMDAR脑炎、多发性硬化和系统性红斑狼疮，提示二者可作为针对GGE及其神经精神共病的分子干预高优先级靶点。研究局限性包括：分析依赖欧洲祖先GWAS数据；大数据可增加统计功效，但环境暴露和纵向疾病轨迹表征有限，需纵向随访研究；conjFDR方法难以直接识别真正因果变异，连锁不平衡可导致重叠位点下多个致病变异，虽对候选SNP进行功能注释，仍需实验验证因果性；分析仅关注常见常染色体SNP，未涉及罕见变异或性染色体变异；UK Biobank参与者未排除癫痫或认知损害个体，但分析基于群体水平GWAS汇总数据且影像表型调整多个混杂因素，不太可能实质改变总体遗传重叠发现；研究使用皮层下脑体积GWAS及认知、精神、人格GWAS，但未分析癫痫患者个体水平直接测量的认知、心理健康或人格，因此结果不能直接证明所识别基因解释癫痫患者共病；双变量MiXeR统计方法限于两变量分析，难以控制其他潜在混杂因素。未来需更大样本、更多样人群和更全面数据验证并完善对疾病遗传机制的理解。
研究结论翻译：研究人员剖析了常见癫痫与皮层下体积之间的共享遗传结构。表达-性状关联分析进一步识别出与认知、心理健康和人格相关表型相关的候选基因。
