基于lncRNA表达模式及脑结构功能特征探讨强迫症的发病机制

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目的:通过强迫症(Obsessive-Compulsive Disorder,OCD)患者和健康人群的血浆外泌体长链非编码RNA(Long non-coding RNA,lnc RNA)差异表达谱,构建lnc RNA-gene调控网络并分析靶基因生物学功能,从微观层面探讨OCD发病的分子机制;同时通过脑网络组图谱(Brainnetome atlas,BN atlas)分析OCD患者大脑各亚区的体积及静息态功能变化,从宏观层面了解该疾病的神经生物学改变。进一步综合分析其微观和宏观结果,最终达到探讨OCD可能的发病机制以及探寻该病诊治的潜在生物标志物及治疗靶点,为OCD患者诊治提供新思路。方法:(1)选取OCD患者和与之相匹配(年龄、性别、受教育年限)的健康志愿者各6名,采集全血标本并提纯血浆外泌体后,利用电镜检测、western blot和NTA检测鉴定外泌体样本的浓度及纯度。提取外泌体总RNA并构建测序文库,随后于Illumina Novaseq平台进行外泌体全转录组二代测序。去除测序原始数据中的接头序列、污染序列、低质量序列以及r RNA reads,随后根据NCBI lnc RNA数据库识别lnc RNA序列,采用DESeq2软件进行差异表达分析,并选择患者组和对照组间的差异倍数|log2(Fold Change)|>1且p<0.05的lnc RNA作为差异表达lnc RNA。预测差异表达lnc RNA靶基因,构建lnc RNA-gene调控网络,并进行GO、KEGG富集分析,根据富集分析结果筛选出OCD相关靶基因数前2的lnc RNA作为OCD候选lnc RNA;最后对候选lnc RNA进行lnc RNA-gene调控网络绘制,靶基因GO、KEGG富集分析以及蛋白互作分析,从而了解OCD潜在的分子机制。(2)对38例符合纳入及排除标准的OCD患者和50例与之相匹配(年龄、性别、受教育年限)的健康志愿者行结构磁共振(Structural MRI)扫描,随后排除图像质量不达标以及颅内存在器质性病变的受试者。以BN图谱为标准分割大脑,分别利用Atlas-based法和VBM法分析患者组和对照组间的脑区体积差异,了解OCD患者的大脑结构改变情况。对同一批受试者行静息态功能磁共振(Restingstate functional MRI)扫描,同样排除图像质量不达标以及颅内存在器质性病变的受试者,利用DPARSF软件对数据进行预处理后,以BN图谱为标准分割大脑,分别采用Atlas-based法和Map法分析两组间的ALFF、f ALFF、Re Ho以及功能连接(FC)值差异,从而了解OCD患者大脑的静息态功能改变情况。结果:(1)测序结果表明,OCD患者血浆外泌体中有769个lnc RNA存在差异表达(257个表达上调,512个表达下调)。对差异表达lnc RNA靶基因的KEGG分析共得到23个条目,GO分析得到453个条目(生物过程339个,细胞成分48个,分子功能66个),其中仅5-HT能突触通路(Serotonergic synapse)与OCD相关,该通路共包含了28个亲本基因(即OCD相关靶基因)。随后根据lnc RNAgene互作关系筛选出OCD相关靶基因数前2的lnc RNA作为OCD候选lnc RNA,得到NR110395.1和XR934258.2。随后构建出了候选lnc RNA的lnc RNA-gene互作网络以及靶基因蛋白互作网络,并对候选lnc RNA靶基因进行KEGG、GO富集分析,从中选取富集明显(p<0.05)且与OCD相关的条目,得到5-HT能突触(serotonergic synapse)、轴突引导(axon guidance)、神经元投射(neuron projection)、中胚层形成(mesoderm formation)以及对雌二醇的反应(response to estradiol)5个条目。(2)在结构MRI研究中,Freesurfer分析结果显示,与健康对照组相比,OCD患者的左侧苍白球体积显著增大(Bonferroni-corrected p<0.05);基于SPM的Atlas-based分析则未发现患者组和对照组间脑区体积存在显著差异(Bonferronicorrected p>0.05);VBM分析结果显示,与健康对照组相比,OCD患者的双侧豆状核体积显著增大(Alpha Sim-corrected p<0.05)。在静息态f MRI研究中,Atlas-based分析结果显示,与健康对照组相比,OCD患者的眶额回A14mR亚区的ALFF值显著降低(Bonferroni-corrected p<0.05),扣带回A23cR亚区的f ALFF值显著降低(Bonferroni-corrected p<0.05),额下回IFSR亚区的Re Ho值显著降低(Bonferroni-corrected p<0.05),扣带回a24rvr亚区和a32pl亚区间的FC值显著降低(NBS-corrected p<0.05);Map法分析结果显示,与健康对照组相比,OCD患者的扣带回中部ALFF值显著降低(Alpha Sim-corrected p<0.05)。(3)综合lnc RNA测序结果、神经影像学分析结果发现,OCD患者大脑中的异常表达lnc RNA NR110395.1和XR934258.2能调控相应靶基因,致使大脑中的5-HT能突触、轴突引导、神经元投射、发育时期的中胚层形成以及对雌二醇的反应产生异常,而这些异常可能导致大脑宏观上的改变,本课题发现这些改变主要是患者的大脑眶额回、扣带回、额下沟活性降低,前扣带回间功能连接减弱以及豆状核体积增加,从而引起CSTC(皮质-纹状体-丘脑-皮质)环路的异常。结论:(1)NR110395.1和XR934258.2是拥有OCD相关靶基因数最多的lnc RNA,表明其与OCD相关性最强,因此选取NR110395.1和XR934258.2作为OCD的候选lnc RNA,其有望成为临床诊治的分子生物标志物及靶标。(2)OCD患者的双侧豆状核体积显著增大,右侧眶额回、右侧扣带回中部以及额下沟静息态功能活性显著降低,双侧前扣带回间功能连接显著减弱,提示这些脑区可能成为临床诊治的神经生物标志物及靶标。(3)OCD的发病机制可能为:NR110395.1和XR934258.2通过调控相应靶基因表达导致大脑中的5-HT能突触传递、神经元轴突引导、神经元投射、发育时期的中胚层形成以及对雌二醇的反应产生异常,从而导致大脑的眶额回、扣带回、额下沟活性降低、前扣带回之间功能连接减弱,豆状核体积增加,最终导致强迫症状的产生。
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