神经发育失调疾病与表观遗传

一、神经发生与表观遗传

哺乳动物胚胎的神经发育开始于神经板和神经管，由神经上皮细胞（neuroepithelial cell，NE cell）形成连续的、具有顶部和基底的极性细胞。神经上皮细胞是最早的神经干细胞，具有形成神经元细胞和神经胶质细胞的潜能。当神经细胞生成开始时，神经上皮细胞首先通过复制增加细胞数量，继而部分神经上皮细胞从复制转向生成神经元细胞。神经上皮细胞还可以转化为另一种神经干细胞——放射状神经胶质细胞（radial glial cell，RG）。放射状神经胶质细胞也可以生成神经元和神经胶质细胞。新生成的神经元细胞和神经胶质细胞经过迁移和继续发育，形成成熟的神经组织。少数位于侧脑室下区的放射状神经胶质细胞保持沉寂状态，它们和位于海马齿状回颗粒区的放射状星形细胞一起成为成体神经干细胞的主要来源，负责成体的神经发生。

在神经发生的过程中，神经元细胞要经历维持自我更新和定向分化的一系列过程，控制基因表达的表观遗传调控在这个过程中扮演了重要角色。细胞记忆以表观修饰的方式，在不改变DNA序列的情况下，维持特定的染色体状态，保持神经干细胞的自我更新状态。在随后的神经细胞定向分化过程中，一些与干性维持相关的基因逐渐关闭，而分化特异性基因开始表达，表观修饰也在其中发挥重要作用。在神经干细胞的干性维持过程中，转录因子TLX起到了重要作用。它通过招募HDAC到其下游靶基因上，从而抑制包括p21、PTEN在内的多个基因的表达，影响细胞周期。另外一种影响神经发生的转录抑制复合物神经元限制性沉默因子（neuro－restrictive silencer factor，NRSF）也可以招募HDAC，抑制基因的表达，从而影响神经干细胞的干性维持。此外，由组蛋白修饰H3K27me3和H3K4me3共同构成的“二价结构域”（bivalent domain）常常发生在控制神经发生的一些关键基因上。二价结构域的存在使基因的表达处于一种受抑制但很容易被激活表达的平衡状态。这些基因的沉默和表达调控对神经的定向分化起到至关重要的作用。DNA甲基化在神经发生过程中也有重要作用。例如在神经发生的开始阶段，激酶信号转导和转录活化蛋白（JAK－STAT）信号通路中的星形细胞特异基因的启动子区域高甲基化，导致胎神经干细胞无法转化为大胶质细胞、星形细胞和少突细胞。但随着发育的进行，这些特异基因的启动子区域变为低甲基化，从而使神经干细胞可以转化为大胶质细胞。在分子层面，DNA的甲基化可以被甲基化结合蛋白（MBD）所识别。这些甲基化结合蛋白往往导致转录抑制。因此，甲基化水平的改变会改变局部染色质结构及基因表达。例如，甲基化结合蛋白MeCP2的一些突变会导致神经发育疾病Rett综合征的发生，这与MeCP2在神经发育过程中的表观调控丢失有关。

二、神经发育失调中表观遗传紊乱的特征

尽管基因表达的表观调控在细胞和生物体中广泛存在，但是由于表观遗传调控蛋白的突变所导致的神经系统疾病却并不是很多。为什么只有少数的神经发育疾病与表观突变相关？一个可能的原因是，表观修饰广泛分布在整个基因组上，调控众多基因，广泛地调节生殖细胞生成和胚胎生成。表观修饰蛋白一旦出现丧失功能的突变，就会严重地影响细胞功能和组织发育，从而导致个体死亡。所以可能只有某些影响少数基因表达，或者限定于特定发育周期，以及影响一小部分细胞的表观突变才能保证个体存活，继而在后天生长发育中出现病症。与神经发育疾病相关的表观突变都表现为部分丧失功能的突变。很多与表观遗传突变相关的神经系统疾病是常染色质显性遗传，而且其中X连锁占有很大比例。可能原因是表观调控蛋白突变的纯合子是致死的，但对X连锁的基因而言，Y染色体上同源基因的存在可以使雄性的个体得以存活。这种遗传模式也表明表观遗传调控的合适的平衡对个体的发育至关重要。此外，很多神经系统疾病与X染色体相关的另一个重要原因是，X染色体上富集了与大脑发育和行使功能相关的基因。

与表观遗传相关的神经发育失调疾病可以分为两类：一类是表观遗传调控因子缺陷所导致的神经发育疾病；另一类是表观遗传修饰模式缺陷导致的神经发育疾病。

三、表观遗传调控因子缺陷导致的神经发育疾病

（一）DNA甲基化表达水平和神经发育

小鼠的条件突变实验表明，DNA甲基化酶DNMT1和DNMT3A在小鼠大脑的不同区域行使同样的功能。DNMT3A在小鼠体内负责从头合成DNA甲基化，而DNMT1则负责DNA甲基化的维持。缺失DNMT1并不影响有丝分裂后神经元的DNA甲基化水平和细胞的存活，但却会造成有丝分裂前神经元细胞的死亡。值得注意的是，DNMT1和DNMT3A的同时缺失会导致产生较小个体的有丝分裂海马神经元细胞。这些神经元细胞中存在着低甲基化现象，并可导致参与长期突触可塑性的基因失调，从而影响学习和记忆。由此可以看出，DNA甲基化影响哺乳动物神经系统的发育和功能。

（二）精神分裂症和躁郁症

有证据表明，DNA甲基化参与神经元功能和神经病行为的产生。精神分裂症和躁郁症患者的前额皮质Ⅰ～Ⅳ层的γ氨基丁酸（GABA）能神经元中的DNMT1表达水平上升。在这些细胞中，GAD67和RELN基因的启动子区域高甲基化，同时伴随着这两种基因的低表达，表明DNMT1的表达水平上升与这些基因的下调有关系。降低的GAD67水平意味着皮质神经元减少产生抑制性神经递质GABA和营养蛋白REELIN，这导致锥体神经元降减少突状突起和神经趋向发育不全。树突状突触的可塑性降低与精神病患者的认知障碍有很大关系。有研究表明，在BA10皮质Ⅰ和Ⅱ层的终脑GABA能的神经元细胞中，DNMT1和DNMT3A的表达水平上升，这有助于理解这些神经元细胞中GAD67和RELN基因的高甲基化水平。以上研究表明，DNA甲基化水平的异常与精神病患者的反常的神经元形态和功能有关。

（三）HSAN1综合征

以痴呆和听力丧失为特征的HSAN1综合征（遗传性感觉神经病）是一种神经发育综合征。HSAN1综合征是由DNMT1基因突变引起的，突变位置位于DNMT1蛋白将DNMT1靶向到核内复制原点的区域内。DNMT1基因突变导致突变蛋白的降解，酶活性减少，在细胞周期的G2期与异染色质的结合减少，最终导致在基因组水平的低甲基化和局部的高甲基化。HSAN1综合征的一个显著特征是常染色质显性遗传。野生型蛋白可能在细胞中依然存在，但只要有突变蛋白存在，细胞就不能维持甲基化水平。即在人和小鼠中，杂合体的DNMT1突变可产生突变的表型，其原因可能是单倍剂量不足或者显性负效应（dominant－negative effect）。由于DNMT1在细胞中以二聚体形式发挥作用，而HSAN1的DNMT1突变发生在二聚化的结构域中，因而推测突变蛋白和野生型蛋白结合，形成异源二聚体，通过显性失活效应破坏了异源二聚体和异染色质的结合，从而影响了甲基化水平的维持。

（四）ICF综合征

ICF综合征（免疫缺陷－着丝粒不稳定－面部反常综合征）与DNMT3B突变有关。ICF综合征的临床表现包括：面部畸形、智力缺陷、重复发生的长期的呼吸系统感染、皮肤和消化系统感染及长期免疫球蛋白下降导致的免疫缺陷。ICF综合征患者的细胞遗传的反常包括：影响1号、9号及16号染色体的异染色质区域的染色质改变。比如，染色体螺旋解体、染色单体和染色体断裂、体细胞配对、同源和非同源染色体的交换等。这些染色体的外周着丝粒异染色质变得松散并融合成多线状的结构。在分子水平上，ICF综合征患者在1号、9号及16号染色体和Y染色体长臂末端的外周着丝粒的卫星DNA区域显示出低甲基化。对ICF综合征的细胞研究表明，存在广泛的DNA低甲基化、复制时间延长、核酸酶的超敏感性及X和Y染色体沉默基因的泄漏表达。有显著表达变化的基因涉及免疫功能、信号转导、mRNA转录、发育和神经形成。反常的表观修饰包括LHX2等基因的启动子区域的DNA甲基化丢失、组蛋白H3K27三甲基化（抑制性标志）的减少、H3K9乙酰化和H3K4三甲基化（激活性标记）的获得。受影响的基因包括与免疫系统和大脑发育密切关联的同源异形盒基因。以上研究表明，DNMT3B突变的影响是多向性的，影响许多与神经系统发育相关的基因。

（五）Rett综合征

Rett综合征是X连锁的神经发育疾病，是由起重要作用的表观调控蛋白MeCP2的遗传缺陷所引起。MeCP2是甲基化DNA结合蛋白，它通过结合甲基化DNA在表观遗传调控中发挥重要作用。Rett综合征的发生概率为1／1.5万～1／万。Rett综合征患儿最初发育正常，在6～18个月开始发病，出现认知、运动和社会行为障碍。在这个时期，患儿表现出典型的神经系统疾病症状，比如歇斯底里和拍手的刻板动作、无意识的运动等。疾病是进行性的，进一步的临床症状表现为严重的智力缺陷和运动障碍。Rett综合征在女性患者中表现出X连锁的嵌合现象，即功能正常的细胞（带有MeCP2突变的X染色体处于失活状态）和缺陷细胞（带有野生型MeCP2的X染色体失活）相互混杂。每一个细胞正常与否取决于它所携带的MeCP2蛋白的活性。男性患者的病情更加严重。因为他们只有1条X染色体，如果携带MeCP2突变蛋白，就会导致病情更加严重。X染色体的失活模式与疾病的严重程度正相关，而X染色体失活存在偏态分布。最新的一些研究发现，在一些Rett综合征的家族中，没有MeCP2的突变发生。基于这个发现，Villard提出假说，认为家族性的Rett综合征是由两个原因导致的：一是X连锁的基因座反常地逃避X染色体失活；二是在女性携带者中存在X染色体失活的高偏态分布。

尽管MeCP2很早就被认为是一种甲基胞嘧啶结合蛋白，但是MeCP2作用的分子机制目前仍存在争议。导致Rett综合征的MeCP2突变都存在于高度保守的区域，而几乎所有的这些突变都会导致蛋白完全或部分丧失功能。值得注意的是，带有MeCP2基因复制的男性也显现出神经发育迟缓、智力低下等类似Rett综合征的症状，说明MeCP2合适的表达剂量对神经细胞的发育和功能非常重要，MeCP2缺少或获得都会导致类似的神经系统缺陷。

MeCP2基因敲除小鼠和脑特异的基因敲除小鼠研究证明，剂量依赖的MeCP2缺失主要影响中枢神经系统。研究发现，MeCP2在神经元细胞核中含量很高，它的缺失导致神经元染色质结构的全局性改变，而Rett综合征正与此相关。基于这些观察Skene等提出假说，认为MeCP2在神经元中不是基因特异的转录抑制子，而可能是一种基因组水平的DNA甲基化依赖的转录抑制蛋白。这个假说可以更好地解释MeCP2在功能上的冲突，即MeCP2一方面存在于与Sin3a和HDAC蛋白一起的转录抑制复合物，另一方面存在于与CREB1在一起的转录激活复合物中。MeCP2不仅在神经元细胞中影响Rett综合征，最近有报道MeCP2在星形细胞和小胶质细胞中也影响Rett综合征的行为表型。Rett综合征是MeCP2缺陷在神经元和非神经元细胞中共同作用导致的结果。

对小鼠的研究表明，将MeCP2重新放回MeCP2敲除的小鼠可以逆转Rett综合征的神经生理症状，而将正常成年小鼠的MeCP2表达关闭则可以导致Rett综合征典型行为的出现。这说明MeCP2在小鼠大脑的各个时间段都是必需的，因为它与DNA甲基化模式的维持有着重要关系；也说明Rett综合征是可以逆转的，在发育早期时段MeCP2的缺失并没有造成不可逆的细胞损伤。这项研究的发现也预示着未来的基因治疗在解决Rett综合征中有很大的应用前景。

（六）ATR－X综合征

ATR－X综合征（α地中海贫血／智力低下综合征）是一种罕见的X连锁疾病，与地中海贫血／智力低下综合征X连锁同源蛋白（ATRX）的突变有关。该综合征只限发生于男性，女性携带者通常智力正常，也没有其他生理性病变。ATR－X综合征表现出严重的智力低下，伴随着其他生理病变如泌尿细胞病变、α地中海贫血等。生理性病变也不仅局限于神经系统，非神经系统的反常还包括颜面畸形及骨骼、肺、肾和消化系统的病变等。ATR－X基因属于蔗糖非发酵2家族的染色体重构蛋白，它可以和MeCP2蛋白相互作用。对ATR－X综合征携带者的研究发现，多种组织中出现反常的X染色体失活模式。ATRX蛋白主要定位在细胞核中，结合在外周异染色质上。ATR－X患者中，由于ATRX基因的突变导致ARTX蛋白大量减少，甚至完全消失。ATRX活性蛋白的减少为何会导致ATR－X综合征目前尚不清楚。ATRX蛋白通过和MeCP2的相互作用影响基因的表达，ATRX突变导致DNA甲基化模式在一些重复序列的反常，这些重复序列包括核糖体DNA重复序列、亚端粒重复、Y染色体特别的卫星重复序列等。此外，ARTX蛋白还调控包括α球蛋白等一些基因的表达。MeCP2也有非Rett综合征的突变。有报道MeCP2蛋白的A140V突变刚好位于MeCP2和ATRX相互作用的作用位点上，该突变破坏了两者的结合。带有A140V突变的患者在神经发育的临床症状上没有Rett综合征患者严重。

（七）Cornelia de lange综合征

MeCP2在体内和粘连蛋白复合物的结构成分相互作用，MeCP2、ATRX和粘连蛋白（cohesin）在小鼠前脑的细胞中共定位于基因组的基因印记控制区域。因为它们之间存在相互作用，编码粘连蛋白结构和调控蛋白出现突变而导致神经发育出现异常。Cornelia de lange综合征（Cd LS）是一种遗传性疾病，它的特征包括：典型的面部形状、上肢畸形、胃肠道失能、生长延迟、认知障碍等。Cd LS的智力低下从中等到严重情况不一。大多数的Cd LS是由于粘连蛋白调控亚基NIPBL（nipped B－like）蛋白或结构亚基SMC1A和SMC3的突变造成。与Cd LS相关的粘连蛋白及其协同蛋白的剂量变化并没有引起染色单体粘连的明显缺陷。因此，Cd LS的病因更可能是胚胎发育过程中粘连蛋白介导的基因表达的失调。对于粘连蛋白对基因表达调控的机制，一种假说认为是粘连蛋白发挥隔离子的作用，阻碍了增强子和启动子的相互作用。ATRX、粘连蛋白和MeCP2在体内存在相互作用，并且它们在小鼠前脑共定位于印记控制区域。实验表明，缺失ATRX会降低粘连蛋白、CTCF和MeCP2在基因glt2和其他印记区域的占有率。ATRX对粘连蛋白和CTCF的招募潜在地意味着ATRX调控更高层次的染色体构象，它与MeCP2及粘连蛋白的相互作用对脑中与发育相关的印记基因的沉默调控至关重要。从机制上讲，MeCP2和粘连蛋白可以调控染色质环化，而ATRX的作用可能是在染色质环化过程中在靶点基因区域介导远程的相互作用。

（八）Rubenstein－Taybi综合征

Rubenstein－Taybi综合征是一种遗传性多系统疾病，它的基本特征是智力低下，但是该综合征不局限于神经系统，其临床特征在多种器官都有所体现，常表现为面部异常、阔拇指、巨趾及发育障碍和对癌症的易感性等。Rubenstein－Taybi综合征主要是由于CREB结合蛋白（CBP）的突变造成的。CBP是一种组蛋白乙酰化转移酶，是转录激活辅助蛋白。CBP可以和300多种转录因子相互作用，广泛地调控基因的转录。CBP参与干细胞的分化和发育，对小鼠的实验显示CBP的单倍剂量不足可以导致认知障碍。在神经系统的发育方面，敲低CBP蛋白导致从皮质前体细胞向神经生成和神经胶质生成的效率下降。有证据表明，CBP能够结合参与神经发育的多种基因的启动子区域，并调节它们的组蛋白乙酰化，以此来调节这些决定细胞向神经方向分化的关键基因的表达。

（九）Coffin－Lowry综合征

Coffin－Lowry综合征是X连锁的神经发育疾病，主要限于男性。其病症包括生长和精神运动推迟、一般的张力减退和骨骼异常、智力低下等。Coffin－lowry综合征是由于少数染色体重构和染色体结构维持异常所引起的疾病。在分子水平上，Coffin－Lowry综合征是由编码丝氨酸／苏氨酸激酶的RSK2基因的功能突变所造成的。RSK2影响染色质结构有两种机制：一是它直接磷酸化组蛋白；二是它可以和组蛋白乙酰转移酶CBP相互作用。但是目前尚不清楚Coffin－Lowry综合征的认知障碍是否是由表观遗传机制影响的基因表达失调所引起。

（十）组蛋白甲基化修饰在神经发育疾病中的作用

对组蛋白甲基化的研究表明，组蛋白甲基化与神经系统疾病有着重要关联。哈佛大学的施扬实验室发现KDM5C／SMCX是组蛋白H3K4me3特异的去甲基化酶，它和X连锁的智力低下（XLMR）有重要关系。在很多XLMR患者中发现有SMCX的错义突变，这些突变导致酶活性降低，表明SMCX的去甲基化酶活性与XLMR有关系。与XLMR有关的另一个组蛋白去甲基化酶是PHF8（plant homeo domain 8）。PHF8是组蛋白H4K20me1和H3K9me1、H3K9me2的去甲基化酶。PHF8的去甲基化酶活性又与它的PHD结构域对H3K4me3的结合有关。这仅仅是一个不同组蛋白修饰存在交互调控的例子，而组蛋白修饰的交互调控是广泛存在的，构成复杂的基因表达调控网络。PHF8在斑马鱼中的研究表明，敲除PHF8影响斑马鱼大脑的细胞生存和下颚的发育，而这种影响与PHF8对转录因子MSX1／MSXB表达的直接调控有关。以上研究说明，组蛋白甲基化的动态调控的平衡对维持正常神经系统功能有关键作用。

另一方面，众多组蛋白修饰识别蛋白参与神经发育疾病的发生发展。脆性X染色体智力迟钝蛋白（fragile X mental retardation protein，FMRP）的突变是造成脆性X染色体失调患者智力低下的重要原因。FMRP最早被发现是RNA结合蛋白，通过调节蛋白翻译参与疾病的发生。最新的研究发现，FMRP可以进入细胞核中，通过氨基端的Agenet结构域结合甲基化的组蛋白（H3K79甲基化），从而使FMRP定位到染色质上，调节DNA修复过程。FMRP突变的小鼠在减数分裂过程中染色体联会复合体的形成受到影响，从而影响精子的生成。目前，FMRP影响DNA修复过程和脆性X综合征的关系尚有待进一步研究。组蛋白甲基化识别与神经疾病相关的另一个例子是PHF21A蛋白。PHF21A蛋白是导致智力低下、额面部反常的一个重要的疾病蛋白。PHF21A的植物同源异型域（PHD）结构域结合未修饰的组蛋白H3氨基端（H3K4me0）。PHF21A是LSD1－HDAC转录抑制复合物成分，并含有组蛋白去甲基化和去乙酰化酶活性。在分子层面上，PHF21A可招募LSD1到神经发育相关基因SCN3A的启动子区域并抑制其表达。而当PHF21A有单拷贝缺失时，单倍剂量不足会引起该区域的异常转录，进而引起SCN3A表达水平的提高。这两个例子，在一定程度上揭示了组蛋白甲基化的识别异常可导致神经发育疾病病变，这与前面提到的MeCP2在Rett综合征中的突变十分相似，也揭示了表观遗传调控对神经系统功能的重要性。

四、表观遗传修饰分布异常导致的神经发育疾病

（一）脆性X染色体系列疾病

脆性X染色体系列疾病（fragile X spectrum disorders）包括3种不同的疾病：脆性X综合征（fragile X syndrome，FXS）、脆性X连锁的震颤／失调综合征（fragile X－associated tremor／ataxia syndrome）和脆性X连锁的初级卵巢分泌不足（fragile X－associated primary ovarian insufficiency，FXPOI）。FXS是遗传性认知缺陷的首要原因，受其影响的男性可出现中等到严重的认知障碍、巨大睾丸和结缔组织发育异常。脆性X染色体失调与X染色体上的FMR1基因密切相关。FMR1基因编码FMRP蛋白，前文已提到它可以通过对甲基化组蛋白的识别影响DNA修复和细胞周期中联会复合体的形成。除此以外，FMR1基因本身还受到复杂调控。FMR1基因的5′非翻译区域存在CGG三核苷酸重复序列。在正常人群中三核苷酸可能有6～55次重复，但是传代过程重复并不稳定，有可能发生延伸拓展，当延伸达到55～200次重复时，就产生前突变的FMR1等位基因；当延伸超过200次时，女性携带者就会产生完全突变的FMR1等位基因的后代。而此时过长的三重复延伸就会起始一系列的分子变化，最终导致FMR1基因转录沉默。相关的分子变化按以下顺序依次发生：组蛋白的去乙酰化、组蛋白H3K9甲基化、DNA甲基化和H3K4去甲基化。重复序列结合蛋白可以招募HDAC、HMT和异染色质蛋白1（HP1）。FMR基因的沉默导致FMR1蛋白的缺失，这正是FXS综合征的起因。而对于FXTAS患者来说，FMR1前突变等位基因包含CGG序列的高表达可以引起一系列的事件，导致中枢神经系统退化性病变。女性FMR1前突变等位基因的携带者有发生FXPOI的风险。

FMR1的基因转录调控非常复杂，存在着正义链和反义链两个方向的转录，并且分别有多个转录起始位点。两个方向的转录对表型都有所影响。因此，Kumari和Usdin提出了基于RNA的异染色质形成模型。在这个模型中，由Dicer剪切生成双链RNA，并形成RNA诱导的转录失活复合体。该复合体定位到受调控的基因上，从而协助组蛋白H3和H4的去乙酰化，以及H3K9的甲基化和DNA甲基化。在这些参与的表观遗传机制中，组蛋白的修饰（包括H3／H4乙酰化和H3K9甲基化）不足以导致FMR1基因的完全失活。只有在启动子区域的重复延伸序列建立稳定的DNA甲基化后，FMR1基因才可以完全沉默。

（二）基因印记疾病

基因组印记是对来源于父方和母方的等位基因进行不同的表观修饰的结果。基因组印记主要影响哺乳动物二倍体细胞的印记基因的等位基因，导致其中一个有表达，另一个转录沉默（单等位基因表达）。目前已知大约有100多个印记基因。这100多个印记基因可以分成16个独特的簇，分布在大约一半的常染色质上。这些基因印记可以发生自发或实验诱导的丢失。Angelman综合征和Prader－Willi综合征是两个典型的基因组印记疾病（imprinting disorder），它们的发生是由于15号染色体印记基因区域的突变。Angelman综合征是一种神经发育疾病，特征包括患者智力发育延迟、惊厥、经常性的大笑等。它是由于位于母系中枢神经系统等位基因的印记区域的Ube3A基因的突变造成的。该基因编码一个E6AP的泛素连接酶。Prader－Willi综合征也是神经发育疾病，特点是患者智力低下、认知障碍及因摄食过量而导致的肥胖。

对于Angelman综合征和Prader－Willi综合征的研究发现，它们与15号染色体印记区域的缺失有重要关联。两种综合征缺失的区域并不完全一致，但有重叠区域，该区域被称为SRO区域（shared region of overlap）。该区域是一个不同甲基化的区域（DMD区域）。在Prader－Willi综合征中，DMD区域出现突变或表观遗传模式的改变。对于每一个DMD区域而言，它们来自父方和母方的等位基因的表观遗传修饰是不同的，可以一方是甲基化的，另一方是非甲基化的。这种甲基化的状态在受精过程中得以维持。一旦该甲基化模式出现紊乱，就会导致疾病的发生。

五、药物及营养因素与神经系统疾病

环境因素，包括营养和药物，对表观遗传修饰有着重要影响。最新发现一种抗抑郁药丙米嗪（imipramine）可以通过改变表观遗传修饰来缓解抑郁症状。其机制是丙米嗪能够增加脑衍生神经营养因子（brain－derived neurotrophic factor，BDNF）P3和P4基因启动子区域的H3和H4乙酰化及BDNF P3基因启动子区域的H3K4二甲基化，从而上调海马区域的BDNF的表达量。其他精神疾病治疗药物也有恢复表观修饰的效应，它们包括丙戊酸（valproic acid）、氯氮平（clozapine）、舒必利（sulpiride）和锂（lithium）。缩宫素（oxytocin）是一种与社会行为相关的激素，目前已被用来尝试治疗自闭症。在自闭症儿童大脑缩宫素受体基因的启动子区域存在反常的高甲基化现象。缩宫素和其他治疗自闭症的药物可能具有恢复表观修饰的功能。基于这些发现，用于改变表观修饰的化合物成为发展治疗神经和精神疾病的候选物。

不仅药物对表观遗传修饰有影响，营养因素也可以改变表观修饰状态。典型的例子是叶酸。叶酸作为甲基化供体，适量摄取叶酸对维持甲基化状态是必要的。怀孕期的女性如果叶酸摄取不足就会导致婴儿的神经管发育不全。研究发现，对怀孕期大鼠给予过多营养会导致糖尿病，但是如果对这样的大鼠限制营养，同时补给叶酸就可以减缓反常症状。实验中发现，叶酸增加了PPAR－α基因和glucocorticoid受体基因启动子区域的甲基化程度，从而抑制了这些基因的表达。另外研究还发现，怀孕期营养的缺失会导致胎儿肝组织中MeCP2表达的下降。尽管同样的情况下MeCP2在脑中是否表达下降尚未被研究，但这可能是叶酸不足影响神经管发育的一个机制。

自20世纪80年代以来，叶酸就被经验性地用于治疗自闭症患者，但这只对一部分患者有效果。而且目前尚不得知，叶酸对自闭症的治疗是否是基于它的表观修饰效应，因此有必要确认叶酸治疗是否引起基因组的DNA甲基化发生改变。目前的表观遗传学技术的发展能帮助我们找出叶酸治疗引起的DNA甲基化改变的叶酸受体基因，这将成为新的治疗靶点。叶酸作为一种营养物质，它的治疗量是相对安全的。但是它作用于全局性，而非针对某一具体变异位点，因此还需要更为特异的表观遗传治疗方式，比如特异地结合到吡咯－咪唑－聚酰胺的针对DNA甲基化和组蛋白去乙酰化酶的抑制剂，以及能够识别并结合DNA小沟的小分子化合物。这些物质可以识别特定的DNA序列并调节它们的表达。

还有一个影响表观修饰的营养物质是蜂王浆。它可以将遗传背景完全一致的雌性蜜蜂转变为可孕的蜂王，这主要是通过表观修饰效应来达到的。最近的研究发现蜂王浆有消除全局性DNA甲基化的效应。沉默DNA甲基化酶DNMT3A的表达也会对蜜蜂幼虫的发育有类似的效应。但是蜂王浆对神经系统发育的影响尚有待研究。

六、记忆和成瘾形成过程中的表观遗传

记忆和成瘾的分子机制目前尚不很清楚。目前认为，大脑学习和记忆的一个基础是神经元活动能够增强或减弱神经突触的相互联系，从而使神经元之间的交流得以发生。这被称为突触的可塑性（synaptic plasticity）。对于突触可塑性的一个测量方式是长期增强作用（long－term potentiation）。表观遗传在学习和记忆的形成和维持过程中都发挥了重要作用。

首先组蛋白乙酰化参与了学习和记忆过程。Swank等发现微管关联蛋白（MAP）激酶可以调节小鼠的味觉憎恶记忆，进一步发现它通过调节小鼠岛叶皮质的组蛋白乙酰化修饰影响情感加工和憎恶记忆。而使用组蛋白去乙酰化酶的抑制剂可以恢复神经突触的缺陷和缺少组蛋白乙酰化转移酶CBP小鼠的恐惧记忆。进一步研究发现，组蛋白去乙酰化酶抑制剂Na But可以显著提高动物的学习能力。

DNA的甲基化对突触可塑性也有重要影响。抑制DNA甲基化酶DNMT的功能能够破坏成年海马细胞的长期增强作用。研究发现，DNMT的抑制剂改变了影响成年海马细胞突触可塑性的重要基因Reelin和BDNF的启动子区域的甲基化水平。采用恐惧条件的研究模型发现，抑制海马区域的DNMT酶可以破坏恐惧刺激记忆的形成，但并不影响恐惧记忆的维持，说明海马区域虽然是记忆形成的一个重要单位，但不是唯一的单位。进一步的研究表明，破坏小鼠背中间线前额皮质的DNA甲基化严重地削弱小鼠的长期记忆，但不影响小鼠的短期记忆。这些研究表明，记忆的形成由大脑的多个区域来行使，而且与DNA甲基化模式有重要关联。

DNA去甲基化对学习和记忆的影响的研究刚刚开始。金属－四环素／H＋反向转运蛋白（TET）蛋白家族的研究初步阐明了DNA去甲基化的生化机制。TET蛋白可以将甲基化胞嘧啶氧化成为羟甲基化嘧啶，并进一步氧化，最终实现去甲基化。TET1敲除小鼠的空间学习能力和短期记忆受到严重影响。但还有研究表明TET1的敲除导致小鼠海马区域的长期抑制，但并不影响空间记忆和恐惧记忆。上述研究虽然是互相冲突的，但均表明TET1蛋白是记忆的一个关键调控蛋白。TET蛋白家族对学习和记忆的影响仍有待深入研究。

药物成瘾是一种复杂的破坏性疾病。成瘾是基因、生理和环境因素所共同导致的不可控制的药物摄取。药物成瘾可以看作是一种反常的学习失调，它和记忆有着共同的形成和维持机制。迄今，对学习和记忆的表观机制研究已有10多年时间，但是对成瘾的表观机制研究却刚刚开始。初步研究表明，可卡因的摄入可以改变伏核（nucleus accumbens，NAc）的组蛋白H3和H4乙酰化水平，而且长期摄入可卡因和短期摄入可能改变不同基因的组蛋白乙酰化。但是乙酰化的改变和药物成瘾的关系研究还很有限。长期摄入可卡因或鸦片还可以抑制组蛋白甲基化酶G9A的活性，从而降低H3K9me2的水平。在伏核区域敲除G9A可以增加神经的枝状分叉，说明G9A在药物依赖的突触可塑性方面发挥一定作用。G9A还在药物成瘾的一个关键转录因子δ－Fos B的负反馈调节中发挥关键作用。DNA甲基化在药物成瘾方面的研究更少，目前有少量研究显示DNA甲基转移酶3（DNMT3）和MeCP2与药物成瘾有关，但其作用机制有待进一步研究。

综上所述，表观遗传学通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重排等方式参与生命活动的各个方面，对神经系统的生成、发育和神经发育疾病的发生、发展有着重要的作用。表观遗传紊乱所导致的神经发育疾病主要体现在表观遗传调控蛋白缺陷所导致的神经发育疾病和表观遗传学修饰模式缺陷导致的神经发育疾病两个方面（表15－5，图15－4）。但由于对神经发育疾病的表观遗传学机制研究的时间尚短，对神经发育疾病仍有待继续深入研究。表观遗传修饰是一种可逆的修饰，这为表观治疗提供了一种可能性，对Rett综合征的小鼠重新加入MeCP2可以部分逆转Rett综合征的症状是一个很好的例子。对神经发育疾病开展表观治疗研究将为这些复杂性疾病的治疗开创新的途径和方向。

表15－5 与神经发育疾病相关的表观遗传蛋白

图15－4 表观遗传蛋白和神经发育疾病