科研 | Biological Psychiatry：重度抑郁症和小鼠慢性应激模型中的共享转录特征
编译：不二，编辑：十九、江舜尧。
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论文ID
原名：Shared Transcriptional Signatures in Major Depressive Disorder and Mouse Chronic Stress Models
译名：重度抑郁症和小鼠慢性应激模型中的共享转录特征
期刊：Biological Psychiatry
IF：11.501
发表时间：2019.12
通讯作者：Benoit Labonté
通讯作者单位：加拿大拉瓦尔大学精神病学和神经科学研究所
DOI号：10.1016/j.biopsych.2019.12.029
实验设计
为了确定人类mPFC和NAc与三种小鼠慢性应激模型中MDD相关转录途径，研究人员使用公开的人类MDD和小鼠CVS和CSDS数据集，并使用成年期延长的SI小鼠的这些脑区生成RNAseq转录谱。研究人员系统地比较了每种小鼠模型和人类MDD相关的转录谱（图1）。
图1 人类MDD和CSV、SI和CSDS小鼠转录特征的种间评估。
结果
差异表达分析揭示共享转录调控
首先鉴定了人和小鼠mPFC或NAc中9888个表达的种间同源基因。随后的分析都基于这个基因集上进行。分析确定了人类MDD和小鼠CVS、SI或CSDS在两个脑区共有的转录变化（p<0.05），其中有许多基因已报道证实，如Dusp4-6、Egr1-2和Nr4a3（图2A，D）。研究人员还鉴定了GABAergic标记基因（Sst、Gabra4等）和转录因子（Crem、Creb、cFos）的转录变化。图2A、D显示了这些基因在CVS、SI和CSDS易感小鼠mPFC和NAc中差异表达的程度和方向。
研究人员比较了不同物种中差异表达基因（DEG）的基因本体（GO）类别，发现人类MDD和每个小鼠模型的mPFC和NAc中线粒体功能的改变是共同的。在CVS、SI和CSDS易感小鼠的mPFC中，MDD相关的改变分别为代谢过程、DNA甲基化和翻译延伸率。在CVS、SI和CSDS易感小鼠的NAc中，分别为组蛋白精氨酸甲基化的改变、免疫反应和谷氨酸分泌的调节。有趣的是，与易感小鼠相比，CSDS耐受小鼠mPFC和NAc中DEG的GO类别与人类MDD显示出更好的相似性，在两个大脑区域的易感与耐受表型之间观察到重要差异。
将人MDD中的DEG与CVS、SI或CSDS小鼠的DEG进行了比较。图2B显示，与人MDD的mPFC相比，CVS小鼠中16.9%的DEG有差异表达（58/344；24个相同，34个相反），SI小鼠中有18.6%（64/344；39个相同，25个相反），CSDS易感小鼠中有5.2%（18/344；16个相同，2个相反）。同样，与人MDD的NAc相比，CVS小鼠中20.0%的DEG有差异表达（257/1280；150个相同，107个相反），SI小鼠中有26.7%（342/1280；210个相同，132个相反），在CSDS易感小鼠中只有2.7%的差异表达（34/1280；14个相同，20个相反；图1E）。整体而言，研究人员分析确定了3个基因在人MDD和所有三种小鼠模型的NAc中差异表达（Zranb1，Copg2，24101311k1Rik）。在mPFC的三种模型中，没有基因拥有共同的差异表达。进一步还揭示了mPFC（15.7%；54/344；52个相同，2个相反）和NAc（9.2%；118/1280；67个相同，51个相反）中人MDD和CSDS耐受小鼠的基因重叠。
由于DEG分析依赖于显著性阈值和不同方法识别的DEG所使用的统计检验，研究人员使用无偏、无阈值的RRHO方法拓展了种间分析。在mPFC中，人MDD和CSDS易感小鼠之间观察到显著的基因共享调节，而SI和CVS中观察到较弱的共享调节（FET-padj<1.0E-742，图2C）。在NAc中，人类MDD和所有三个小鼠模型之间发现一个较弱但显著的信号的协同上调和下调（FET-padj<1.0E-742，图2F）。人类MDD和CSDS耐受小鼠的比较显示，mPFC中共同上调和下调的基因有很强的重叠（FET-padj<1.0E-742），而NAc中的一致性较弱。
总的来说，DEG和RRHO分析的结果表明，每种慢性应激模型都重现了人类MDD的mPFC和NAc中基因表达显著变化的一个子集，DEG分析显示对SI和CVS更强的影响，RRHO分析显示对CSDS更强的影响。另一个重要的结果是，构成与人类MDD重叠的特定基因在每种小鼠应激模型中都有很大的不同。
图2 差异表达分析揭示了人类MDD和CVS、SI和CSDS小鼠相关的基因特征。
基因网络分析揭示共享转录调控
最近在小鼠和人类的研究凸显了基因网络的价值，这揭示了不同但同样重要的转录见解。为了确定人类MDD和小鼠应激模型中基因网络的保守性，研究人员构建了人类MDD和小鼠CVS、SI和CSDS脑区的特异性共表达基因网络。在MDD、CVS、SI和CSDS中分别鉴定了26、58、46和25个mPFC基因网络以及39、29、31和42个NAc基因网络。每一个基因网络模块都有一个颜色名称，并根据其组成的基因赋予一个功能类别。
通过直接比较每个模块中包含的基因，计算人类和小鼠之间的模块保守性。为了避免由于模块大小造成的重叠，首先在显著种间富集的基因网络上测试了不同的OR值（OR>1.0，>2.0，>3.0和>5.0）（padj<0.05）。在mPFC中，发现随着OR值的增加，人与每个小鼠模型之间的重叠没有太大的变化：在1、2或每个小鼠模型中，人的基因模块保守的比例从92%（OR>1.0）到77%（OR>5.0）。相反，在NAc中，这个比例从85%（OR>1.0）下降到36%（OR>5.0）。这表明，虽然mPFC和NAc中有相当数量的人类基因网络在小鼠中是保守的，但mPFC中的人类基因网络保守性更好。
基于此分析，使用OR>3.0进行了进一步的分析。在mPFC中，至少一个小鼠模型（FET-padj<0.05；OR>3.0）中有81%的人类基因网络是保守的，27%在所有三个小鼠模型中是保守的（图3A）。更具体地说，69%的人类基因网络在CVS中是保守的，54%在SI和CSDS中都是保守的（图3A）。在NAc中，至少一个小鼠模型（FET-padj<0.05；OR>3.0）中有69%的人类基因网络是保守的，18%在所有三种小鼠模型中是保守的。其中31%的人类网络在CVS中是保守的，49%和46%分别在SI和CSDS中是保守的（图3B）。图3显示了mPFC和NAc中与这些共享模块相关的GO类别。综上所述，这些结果表明CVS、SI和CSDS分别重现了人类MDD中基因网络共同但又独特的转录特征。
图3 CVS、SI和CSDS重现人脑中基因网络的转录结构。
人MDD与小鼠慢性应激模型相关基因网络的转录组织
通过检测保守的基因网络是否与表型相关，研究人员拓展了这些分析。为了确定哪些基因网络与这些表型最密切相关，研究人员整合了基因网络和DEG分析。首先将每个基因网络的第一主成分（模块eigengene）与表型状态相关联，来确定哪一个网络与两个物种中的DEG最密切相关。分析结果显示，mPFC中的7个（4个上调；3个下调；图4A）基因网络和NAc中的20个（5个上调；15个下调；图4C）基因网络与MDD相关，而每个小鼠模型的两个大脑区域中的多个基因网络与慢性应激相关。
接下来，研究人员直接比较了每个小鼠模型重现人类MDD中发现的相关性。在mPFC中，研究人员发现了两个与人类MDD相关的基因网络，它们也与CVS相关，一个与SI相关，两个与CVS和SI相关，但与CSDS易感小鼠无关（图4A）。在NAc中，研究人员发现了七个共同与MDD和SI相关的基因网络，一个与CSDS易感小鼠相关，两个与SI和CSDS易感小鼠相关（图4C）。与这些共享网络相关的GO类别如图4A、C所示。
评估每个小鼠模型在人类基因网络中重现DEG表达的能力。在mPFC中的分析表明，CVS重现DEG富集模式的能力有限：当结合显著上调和下调的基因时，CVS仅重现了15%的人类富集模式，而58%由SI重现，65%由CSDS易感小鼠重现（图4B）。当考虑到mPFC中唯一上调或下调的基因时，这些模式没有改变，但当仅考虑显著下调的基因时，CVS的上调或下调比例增加到62%，SI的上调或下调比例增加到77%，CSDS易感小鼠的下调比例增加到85%（图4B）。相反，研究人员在NAc中的结果表明，所有三种慢性应激模型在基因网络中都相似地重现了人类DEG的富集模式：CVS为56%，SI和CSDS易感小鼠为64%（图4D）。
图4与人类MDD和CVS、SI和CSDS的应激表型相关的基因网络的转录组织。
人MDD相关小鼠模型特异性hub基因的鉴定
进一步进行整合分析，根据它们的“相关性”对每个人类基因网络进行排序，基于：a）与MDD或应激暴露的相关性；b）人类MDD和三种小鼠模型中mPFC（图5A）和NAc（图5C）中DEG的富集。这些共享网络相关联的GO类别已在图中显示。
计算并比较所有人类和小鼠网络中的hub基因。Hub基因与特定基因模块内的相邻基因高度相关，并在其他报道中已被证明与疾病特征显著相关。在mPFC中，研究人员集中研究了hYellow网络（图5B），该网络由675个基因组成，其中34个（前5%最相关的基因）是hub基因。该基因模块参与膜电位的调节，其中约6%的基因在少突胶质细胞中富集（padj<2.2E-14；OR>6.0）。在每一个小鼠模型中，hYellow都是保守的，并且与SI小鼠中的应激显著相关，这一观察结果与先前的研究结果一致，前者显示SI小鼠少突胶质细胞结构和功能的显著改变，后者与最近在有虐待儿童史的自杀者中的死后观察结果。hYellow还富含在人类MDD（padj<4.0E-4，OR>1.3）、SI（padj<2.4E-12，OR>1.8）和两种CSDS易感（padj<5.4E-30，OR>2.6）和CSDS耐受（padj<4.1E-29，OR>2.5）小鼠中显著下调的基因，与CVS无关联（图5A）。分析表明，CVS小鼠中与hYellow间共有172个基因，而SI和CSDS分别为148和39个基因。在所有三种小鼠模型中，人类在hYellow的hub基因都很保守（图5B）。例如，将分析局限于5%的高度连接（hub）基因，研究人员发现，在hYellow的34个人类hub基因中，8个在CVS中保持hub状态，7个在SI中保持hub状态，6个在CSDS中保持hub状态（图5C，D）。图5E列出了所有人类和小鼠模型之间的保守hub基因。分析表明，GRB2相关结合蛋白1（Gab1）基因在人类和每一个小鼠模型中都是hub状态，表明它可能对这两个物种的网络活动有相似的控制作用。
在NAc中，重点研究了hSalmon网络（图5F），它由196个参与行为控制的基因（10个hub基因）组成。hSalmon与人MDD显著相关，并且在人MDD（padj<0.005，OR>1.8）、CVS（padj<0.05，OR>1.5）和CSDS易感小鼠（padj<0.05，OR>1.4；图5F）中富含显著下调的基因。CVS小鼠中与hSalmon共享12个基因，而SI和CSDS小鼠分别为8和26个基因。此外，在hSalmon网络中的10个hub基因中，3个在CVS中保持hub状态，2个在SI中保持hub状态，3个在CSDS易感小鼠中保持hub状态（图5G-I）。研究人员发现Lrrc7编码富含亮氨酸的重复序列，包含7种蛋白质，在人类和所有三种小鼠模型之间都是hub状态（图5J）。
图5 CVS、SI和CSDS概括了人类mPFC中MDD相关基因网络的转录组织。
讨论
分析MDD的分子基础在很大程度上依赖于啮齿动物应激模型的使用，其验证主要基于结构有效性、面部有效性和预测有效性。然而，由于将小鼠与人类的行为异常联系起来实现面部有效性验证存在固有的困难，最近对小鼠慢性应激模型的审查有所增加。本研究的一个主要目标是通过全基因组转录分析来确定小鼠慢性应激模型在分子水平上的面部有效性，这种分析本质上要比行为比较客观得多。
利用DEG和WGCNA分析，研究人员评估了CVS、SI和CSDS三种最广泛使用的小鼠慢性应激模型在mPFC和NAc两个广泛参与抑郁症的脑区重现与人类MDD相关的转录谱的能力。结果表明，每个模型都能有效地重现人类综合征的共同但又独特的转录特征。几种生物信息学方法中的每一种都识别出人类MDD与三种小鼠应激模型之间在mPFC和NAc中的明显重叠。这些差异反映了DEG、RRHO和WGCNA各自捕获部分重叠的转录调控模式。总的来说，这个综合分析的结果表明，没有一个小鼠模型比另一个更好。
研究人员成功地鉴定了一系列在人类MDD和三种小鼠模型中一致保守的hub基因。特别值得注意的是，GAB1是所有小鼠模型中唯一保守的人类hub基因。已知Gab1能增强PI3K/AKT的激活，延长Ras/MAPK信号传导的持续时间；它也能通过糖皮质激素下调。此外，PKA激活ERBB2及其效应因子GAB1，从而提高Oct6和Egr2的表达，并触发髓鞘形成。
类似地，在NAc中，研究人员发现hSalmon是一个基因网络，富含与“行为控制”相关的基因。发现Lrrc7这个hub基因编码Densin-180，在所有小鼠模型中都是保守的。Densin-180存在于突触后密度结构（PSDs）中，与α-肌动蛋白、CamKIIα、shank、maguin-1、β-catenin和δ-catenin等关键突触信号蛋白相互作用。Densin-180控制CamKIIα在PSD的定位，其缺失突变会导致谷氨酸受体依赖型的长期抑郁，并改变脊柱形态。因此，Gab1和Llrc7可能通过在关键的细胞途径发挥中心作用，来调节慢性应激适应性反应的表达，尽管需要更多的工作来阐明它们在CVS、SI和CSDS中的特殊作用。
另一个有趣的发现是SI与CSDS有一定的重叠，与CVS的重叠程度较低，而CVS和CSDS在与人类MDD的网络关联方面几乎没有相似之处。这可能是构成这些不同模式的慢性应激源类型。CVS使用生理压力源（如脚电击、尾部悬吊和管式约束），而SI和CSDS依赖于社会排斥或社会失败的心理社会压力源。因此，SI和CSDS的分子相似性可能反映了社会心理应激引发的共同应对策略的参与。研究结果增加了三种慢性应激模型中的每一种可能捕获异质性MDD综合征的不同亚型或不同方面的可能性。需要对更多的人类样本进行分析，以测试特定的小鼠模型是否与MDD的特定症状或历史特征（如早期生活应激）相关。
有趣的是，研究结果突出了人类MDD和CSDS耐受之间的显著重叠。这种重叠可能反映了所有的生物体都会为了应对压力而进行与适应性相关的适应。事实上，慢性应激诱导的大量分子水平适应与小鼠的行为耐受有着因果关系。另一种可能是先前的抗抑郁药物，虽然临床上无效，但可能已经触发了类似耐受的分子进程的激活，如之前在CSDS小鼠中所示。虽然研究人员在人类中对药物的作用进行了控制，但不能排除这种治疗可能导致长期转录改变的可能性。为了解决这个问题，未来还需要更大的人类群体研究。
mPFC和NAc的分子细胞水平在小鼠和人之间有很大的差异，这种差异代表了种间比较研究固有的明显局限性。也就是说，这两个大脑区域也表现出了显著的保守程度，在奖赏处理和动机线索以及情绪的自上而下控制方面都有显著的保守性。在本研究中观察到的高水平的种间转录相似性可能反映了这种保守性。
MDD的转录特征表现出强烈的性别差异，但是研究人员对性别的影响进行了统计校正。而人类和CVS小鼠数据只包括女性，这可能限制了研究人员对数据的解释，并可能掩盖了一些影响，因为通过几个男性和女性基因表达相反变化的例子显示了显著的转录性别差异。在未来的研究中评估两性身上的预测是很有意思的。
评论
总之，通过识别人类MDD与CVS、SI和CSDS小鼠中共享的转录特征，研究人员的分析提供了一个支持使用小鼠模型研究MDD的框架，并指导它们选择研究该综合征的特定方面。显然，没有一个小鼠模型能完全重现MDD，也没有人会期望它们能完全重现MDD。相反，它们重现了综合症的各个方面。这并不是一个障碍，而是一个机会，利用这三种小鼠模型和其他可能的小鼠模型，更充分地整合MDD的分子机制。本研究中使用的方法将特定分子特征与人类和小鼠的精确临床和行为评估相关联是非常可靠的。特别是考虑到与死后组织相关的内在局限性，尽管使用外周组织（如血液）的研究将值得探索。然而，通过了解CVS、SI和CSDS各自重现MDD转录特征的某些细节，未来的研究可以更精确地将这些转录特征与该综合征的特定症状和历史特征相关联。
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