双相情感障碍外周血DNA甲基化特征改善预测模型

《eBioMedicine》：DNA methylation signatures associated with bipolar disorder in peripheral blood improve prediction models

　　

背景：双相情感障碍（Bipolar Disorder, BD）是一种受遗传和环境因素共同影响的主要心境障碍。尽管来自外周组织的DNA甲基化可反映遗传与环境的影响并揭示疾病生物学机制，但在BD中的研究仍显不足。DNA甲基化特征或可补充多基因评分（Polygenic Scores, PGS），并具有作为生物标志物的潜力。在此，研究人员进行了迄今为止规模最大的BD表观基因组关联研究（Epigenome-Wide Association Study, EWAS），并评估了多态甲基化评分（Polymethylation Scores, PMS）在分类病例-对照状态中的预测价值。方法：研究人员获取了包含12个队列的1729例病例和1747名对照的外周血DNA甲基化数据。研究人员进行了总样本、男性单独及女性单独分析的荟萃分析。使用comb-p方法鉴定差异甲基化区域（Differentially Methylated Regions, DMRs）。测试了BD的多态甲基化评分（BD-PMS）与BD的关联性，及其与PGS的联合效应。结果：研究人员在总样本分析中鉴定出47个差异甲基化CpG位点（Differentially Methylated Positions, DMPs），在女性单独分析中鉴定出4个。分别在总样本、女性和男性单独分析中鉴定出90、14和6个DMRs。顶级DMPs注释的基因富集于免疫激活和磷酸化通路。DMRs注释于与神经传递相关的基因，包括GABBR1和CACNA2D4。BD-PMS解释了BD病例-对照状态2%的方差，与PGS结合时，方差解释率从7.9%提高至8.5%。对于双相I型障碍（Bipolar I Disorder, BDI），BD-PMS解释了4.9%的方差，并将PGS解释的方差从15.9%提高至18.5%。BD与精神分裂症和重度抑郁症的PMS的关联表明存在多效性表观遗传效应。解读：利用足够效力的数据，可在血液中检测到BD的DNA甲基化特征，并可揭示遗传学研究未能捕获的新型BD生物学机制。来自大队列的PMS有潜力促进预测工具的开发，以辅助临床决策。资助：本研究主要由挪威研究委员会（RCN #250299, #273446, #223273）和卑尔根大学资助。

该研究针对双相情感障碍（BD）作为一种高遗传度但环境风险显著的复杂精神疾病，现有遗传学工具（如多基因评分PGS）对疾病风险的预测效能有限（仅约7%），且既往表观遗传研究样本量小、缺乏跨人群验证的现状。研究人员旨在通过对迄今最大规模的外周血DNA甲基化荟萃分析，识别与BD相关的表观遗传标记，并探索多态甲基化评分（PMS）作为补充生物标志物以提升BD预测模型效能的可行性。研究结果显示，BD的DNA甲基化特征在外周血中可被检测，且PMS能独立于PGS解释部分疾病方差，两者结合可显著提高预测精度。该成果发表于《eBioMedicine》，为BD的生物学机制解析及临床辅助诊断工具的开发提供了新的表观遗传学视角。

关键技术方法方面，研究人员纳入了来自12个队列共3476名参与者（1729例BD病例，1747名对照）的外周血样本，进行了严格的质控和标准化处理。采用Illumina甲基化芯片（450K、EPIC v1/v2）获取数据，并利用CPACOR流程进行背景校正、探针过滤及BMIQ标准化。通过limma包进行表观基因组关联分析，并基于随机效应模型进行跨队列荟萃分析。利用comb-p算法识别差异甲基化区域（DMRs）。最后，基于荟萃分析结果构建多态甲基化评分（PMS），并在独立的TOP+队列中检验其与BD表型的关联及对PGS预测效能的提升作用。

研究结果部分，首先，在汇总统计与差异甲基化位点识别方面，研究人员在总样本荟萃分析中鉴定出47个达到全基因组显著性水平的差异甲基化CpG位点（DMPs），其中12个为高甲基化，35个为低甲基化；在女性单独分析中鉴定出4个DMPs，而男性单独分析未发现显著DMP。其次，在差异甲基化区域（DMRs）分析中，总样本、女性和男性分别识别出90、14和6个DMRs，部分DMRs映射到了VARS2、FURIN、GABBR1等已知与BD或相关表型相关的基因。第三，通路分析显示，顶级CpGs注释的基因显著富集于免疫反应激活（特别是先天与适应性免疫）、磷酸化及磷代谢通路，同时细胞比例分析发现BD病例组中性粒细胞比例升高，而CD4T、CD8T细胞及自然杀伤细胞比例降低。第四，GWAS重叠分析表明，部分DMPs/DMRs注释的基因（如GHRL、STIMATE、NOTCH1等）与精神疾病、脑形态学及认知特征的GWAS位点存在重叠。第五，脑相关性分析通过BECon等工具证实，部分血液中的DMPs（如cg13876222-NOTCH1、cg05508862-SLC5A10等）与脑组织中相应位点的甲基化水平呈显著相关。最后，在多态甲基化评分（PMS）与多基因评分（PGS）的预测效能评估中，BD-PMS本身可解释BD状态2%的方差，且与精神分裂症（SCZ）、重度抑郁症（MDD）的PMS存在交叉关联；更重要的是，将BD-PMS与基于PGC最新GWAS（样本量超80万）构建的BD-PGS相结合后，模型对BD总体及双相I型障碍（BDI）的方差解释率分别从7.1%提升至8.5%和从15.9%提升至18.5%，且ROC曲线下面积（AUC）亦有小幅提升。

讨论部分总结指出，本研究证实了外周血DNA甲基化特征与BD的关联性，且PMS能捕捉到遗传学未能完全覆盖的生物学差异（可能源于环境因素）。尽管BD-PMS单独解释的方差较小，但考虑到其发现样本量仅为PGS的约1.1%，其效能令人瞩目。此外，研究观察到PMS对BDI亚型的预测效能优于BDII，提示亚型间可能存在生物学异质性。基因集分析凸显的免疫与磷酸化通路与BD的炎症假说相符。作者强调，未来需要更大规模的纵向研究（尤其是包含药物治疗初治患者）以进一步阐明BD病程中的表观遗传动态变化，并推动PMS成为辅助临床分型与风险评估的有效工具。