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研究人员为探究早期生活逆境（ELA）通过表观遗传机制对大脑的影响，以母婴分离（MS）大鼠为模型，开展前额叶皮质全基因组 DNA 甲基化研究。结果发现 MS 大鼠出现抑郁样行为，且多个基因甲基化改变。该研究有助于理解 ELA 长期影响的分子机制，为相关疾病提供潜在生物标志物。
在生命的早期阶段，成长环境对个体的影响深远。想象一下，那些经历过父母分离、遭受暴力、被情感忽视或面临饥饿的孩子，他们的未来可能会因此而改变。早期生活逆境（Early-life adversity，ELA）就像一个隐藏在暗处的 “捣蛋鬼”，悄悄地影响着个体大脑的发育、神经连接的形成，甚至可能为成年后的精神健康问题埋下伏笔。据统计，全球近一半的儿童都经历过某种形式的 ELA，他们成年后患上抑郁症、创伤后应激障碍、社交恐惧症等精神疾病的风险显著增加。
目前，虽然科学家们知道 ELA 会对大脑产生长期影响，但其中具体的分子机制却如同迷雾一般，让人难以看清。母婴分离（Maternal separation，MS）作为研究 ELA 影响的常用啮齿动物模型，它模拟了人类儿童时期遭受虐待或忽视的情况。此前的研究表明，MS 会引发大鼠大脑的神经炎症反应，干扰大脑的正常发育和功能，还会影响神经内分泌系统，导致压力激素和神经递质水平异常。然而，MS 究竟是如何通过表观遗传机制影响大脑的，仍然是一个未解之谜。
为了揭开这层神秘的面纱，来自美国阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员开展了一项深入的研究。他们以 Sprague Dawley 大鼠为研究对象，通过对经历 MS 的大鼠进行全基因组 DNA 甲基化分析，试图找到 ELA 影响大脑的关键线索。该研究成果发表在《Biological Psychiatry Global Open Science》杂志上，为我们理解 ELA 与精神疾病之间的关系提供了重要的依据。
研究人员运用了多种关键技术方法来开展这项研究。在动物实验方面，将出生后 1 - 14 天的大鼠幼崽每天与母鼠分离 180 分钟，模拟母婴分离的环境，同时设置对照组，仅对幼崽进行每天两次、每次 5 分钟的常规处理。成年后（出生后 80 - 89 天），对大鼠进行蔗糖偏好测试、高架十字迷宫测试和强迫游泳测试，评估其抑郁和焦虑样行为。在分子生物学实验方面，采用简化代表性亚硫酸氢盐测序（RRBS）技术对大鼠前额叶皮质的 DNA 进行检测，分析全基因组 DNA 甲基化水平；利用功能富集分析、转录因子结合位点（TFBSs）富集分析和基因相互作用网络分析等方法，深入探究差异甲基化区域相关基因的功能和调控机制。
研究结果
- 动物行为：经过 MS 处理的成年雄性和雌性大鼠，蔗糖偏好百分比显著低于对照组，这表明它们出现了类似快感缺失（anhedonia）的行为。但在高架十字迷宫测试和强迫游泳测试中，MS 组与对照组之间没有显著差异。
- RRBS 发现：通过 RRBS 分析发现，MS 组和对照组的甲基化数据存在明显差异，且性别对甲基化数据的影响不显著，因此后续分析将性别队列合并。研究共鉴定出 33,905 个差异甲基化的 CpG 位点（Differentially methylated cytosines，DMCs）和 151 个差异甲基化区域（Differentially methylated regions，DMRs）。
- 差异甲基化 CpG 位点：在鉴定出的 DMCs 中，大部分为高甲基化。DMCs 在基因组区域的分布显示，基因间区域的 DMCs 数量最多，但在具有功能意义的编码和调控区域，大多数 DMCs 位于基因区域。此外，还发现了一些关键基因如Dnmt3a/b存在差异甲基化。
- DMCs 的功能特征
- 差异甲基化启动子调控基因的功能富集：低甲基化启动子相关基因富集在神经活性配体 - 受体相互作用和催产素信号通路等；高甲基化启动子相关基因则富集在 Hippo 信号通路、运动蛋白和囊泡运输中的 SNARE 相互作用等。
- 含有 DMCs 的基因的功能富集：基因体中含有 DMCs 的基因功能分析表明，这些基因与 MAPK 信号通路、谷氨酸能突触通路等相关，且低甲基化和高甲基化的基因在不同的生物学过程和分子功能中表现出富集。
- 组织水平的基因表达分析：对差异甲基化启动子调控基因和基因体含有 DMCs 的基因进行组织水平表达分析，发现部分基因的甲基化水平与表达水平存在相关性，但部分相关性不显著。
- DMRs 分析：共鉴定出 151 个 DMRs，它们分布在除 Y 染色体外的所有染色体上，且大部分位于基因区域。对 DMRs 中基因的功能分析表明，低甲基化 DMRs 相关基因富集在 MAPK 信号通路等，高甲基化 DMRs 相关基因则与 AMPK、催产素信号和谷氨酸能突触通路等有关。
- TFBSs 富集：在 DMRs 中发现了一些富集的转录因子结合位点，如 C2H2 锌指因子和 ETS 转录因子等，这些因子在基因表达调控中发挥重要作用。
- 基因相互作用网络分析：通过基因相互作用网络分析，发现不同甲基化状态的基因之间存在复杂的相互作用，涉及蛋白质翻译、MAPK 信号通路、肌动蛋白细胞骨架等多个方面。
- 差异甲基化非 CpG 位点
- 差异甲基化 CHG 位点：在 MS 大鼠中，仅发现 938 个差异调节的 CHG 位点，其功能富集分析未得到显著结果。
- 差异甲基化 CHH 位点：鉴定出 4926 个显著的 CHH 位点，大部分为低甲基化。功能富集分析表明，基因体中含有低甲基化 CHH 位点的基因富集在 Wnt 信号通路，高甲基化 CHH 位点的基因则与轴突导向和钙信号通路等有关。
研究结论与讨论
这项研究全面揭示了早期生活应激（ELS），特别是 MS 对大鼠大脑表观遗传景观的深刻影响。MS 大鼠蔗糖偏好降低，表明出现了快感缺失的行为，这与 DNA 甲基化的广泛改变密切相关。研究发现的差异甲基化基因富集在神经发育、突触功能和应激反应等关键通路，暗示了 ELS 可能通过这些途径破坏大脑的正常发育和功能，进而增加成年后患压力相关精神疾病的风险。
研究中发现的关键基因和通路为理解 ELA 与精神疾病之间的关系提供了重要线索。例如，Notch1基因启动子低甲基化可能与神经发育或疾病有关；一些与运动蛋白相关基因的高甲基化可能导致轴突运输缺陷，影响突触可塑性和神经元功能。此外，转录因子结合位点的甲基化变化以及基因相互作用网络的改变，也表明 ELS 对大脑的影响是复杂而广泛的。
然而，该研究也存在一定的局限性。除了蔗糖偏好的变化外，仅发现了轻微的行为效应，可能是由于样本量较小，导致在强迫游泳和高架十字迷宫测试中检测差异的能力不足。此外，研究仅局限于前额叶皮质，不同脑区的表观遗传失调模式可能存在差异。未来的研究需要进一步验证这些甲基化变化，探索其对基因表达和行为的功能影响，以及研究这些表观遗传修饰的可逆性，为开发针对压力相关精神疾病的干预措施提供新的思路和方向。
总的来说，这项研究为我们理解早期生活逆境影响大脑的分子机制提供了重要的见解，虽然还有许多未知等待探索，但它为未来的研究奠定了坚实的基础，有望在精神疾病的预防和治疗方面取得新的突破。
