《eBioMedicine》：DNA methylation signatures of bilateral hippocampal volume, asymmetry and atrophy: a cross-omics analysis in the general population
编辑推荐：
摘要：背景：左右海马体积不对称性（不对称性）及萎缩与神经退行性和神经精神疾病相关，但其在健康成年人中的分子基础仍知之甚少。方法：研究人员对来自六项基于人群的队列（样本量n=8156；53%为女性；平均年龄60.7岁）的表观基因组关联研究（Epigenome-W
摘要：背景：左右海马体积不对称性（不对称性）及萎缩与神经退行性和神经精神疾病相关，但其在健康成年人中的分子基础仍知之甚少。方法：研究人员对来自六项基于人群的队列（样本量n=8156；53%为女性；平均年龄60.7岁）的表观基因组关联研究（Epigenome-Wide Association Studies, EWAS）进行了荟萃分析，以识别与左、右海马体积（Left Hippocampal Volume, LHCV; Right Hippocampal Volume, RHCV）及海马不对称性（即左右体积之差除以其和）相关的DNA甲基化特征。结果：研究人员发现5个CpG位点和262个差异甲基化区域（Differentially Methylated Regions, DMRs）与LHCV相关，9个CpG位点和246个区域与RHCV相关，1个CpG位点和16个区域与不对称性相关。跨组学整合揭示了15对与LHCV相关和13对与RHCV相关的甲基化-基因表达配对，其中5个重叠基因主要参与免疫调节。LHCV特异性基因涉及细胞信号传导，而孟德尔随机化（Mendelian Randomisation, MR）分析支持DIP2C基因的脑组织表达与重性抑郁障碍风险增加之间存在潜在因果关系。RHCV特异性基因参与神经元分化通路，MR分析表明BAIAP2、MACF1、SLC16A5和CORO1B的脑组织表达与神经精神疾病相关。研究人员还发现了海马不对称性的性别特异性模式。值得注意的是，这些位点的基线甲基化水平预测了海马萎缩速率，可解释超过10%的变异。与多种健康饮食模式的关联表明，可改变的环境因素对海马结构存在影响。结论：这些发现揭示了不同的甲基化特征可作为神经精神和神经退行性疾病的潜在生物标志物或治疗靶点。
论文解读：双侧海马体积与不对称性的表观遗传机制研究
一、 研究背景、问题与目的
海马体是人类大脑中负责记忆、情绪调节和认知功能的关键结构。大量证据表明，海马体在结构和功能上存在显著的不对称性，例如左海马体积通常略小于右海马体积，且左右海马在语义处理和空间信息处理中存在功能偏侧化。这种不对称性的改变与阿尔茨海默病、重性抑郁障碍、精神分裂症、自闭症谱系障碍等多种神经精神和神经退行性疾病密切相关。同时，衰老对左右海马的影响也存在差异。尽管全基因组关联研究已发现一些与左右海马体积及不对称性相关的遗传变异，但大部分位点位于非编码区，提示其在转录调控中的作用。DNA甲基化是基因转录调控的关键表观遗传机制，可被内外环境因素（如饮食）影响。然而，既往研究多关注总海马体积，样本量相对较小，且缺乏对左、右海马体积及不对称性各自特异的甲基化特征的系统探索。更重要的是，这些甲基化特征如何通过调控基因表达影响海马结构，是否与海马萎缩速率相关，以及是否受饮食等可改变因素影响，均有待阐明。
为此，研究人员在《eBioMedicine》上发表了这项大规模研究，旨在通过对六个人群队列进行表观基因组关联研究荟萃分析和跨组学整合，揭示普通成年人群中左、右海马体积及不对称性的特异性DNA甲基化特征，阐明其潜在的分子机制、临床相关性以及对未来海马萎缩的预测价值。
二、 主要关键技术方法概述
本研究采用了多层次的分析策略。核心是基于六项欧洲血统人群队列（包括莱茵兰研究、SHIP-Trend、FHS、LBC1936、LLS、OATS，总样本量n=8156）的全血DNA甲基化数据（使用Illumina HM450K或HM850K芯片）和脑磁共振成像（MRI）数据。主要技术方法包括：1. 表观基因组关联研究荟萃分析：在各队列内进行甲基化水平与脑成像表型（LHCV、RHCV、海马不对称性等）的关联分析，随后进行样本量加权的随机效应荟萃分析。2. 差异甲基化区域分析：使用Comb-p方法识别空间上相关的CpG位点簇。3. 跨组学整合分析：利用莱茵兰研究参与者的个体水平数据，分析甲基化特征与基因表达（RNA测序）的关联，并进行中介分析和孟德尔随机化分析以评估潜在因果关系。4. 功能与临床关联分析：包括基因集富集分析、转录因子结合分析、甲基化数量性状位点（meQTLs）分析、双向孟德尔随机化分析，以及评估甲基化特征与十种饮食质量评分、纵向海马体积/不对称性变化率的关联。
三、 研究结果
1. 研究样本特征
荟萃分析共纳入8156名参与者，平均年龄60.7岁，53%为女性。所有队列中，左海马体积平均略小于右海马体积，且左右海马体积均随年龄增长而减小，海马不对称性指数则随年龄略有增加。
2. 双侧海马体积和不对称性存在特异性甲基化特征
荟萃分析识别出与左海马体积、右海马体积和海马不对称性显著相关的特异性CpG位点和差异甲基化区域。这些特征与全局灰质体积的特征重叠极少，表明其海马特异性。差异甲基化区域分析进一步确认了这些空间聚类特征。
3. 计算机验证
研究发现，既往研究与平均海马体积相关的两个差异甲基化区域在本次分析中同样与左/右海马体积相关，部分验证了既往发现。
4. 所识别甲基化特征的基因集富集分析
富集分析表明，所识别的甲基化特征相关的基因主要富集于神经系统发育、神经元分化、神经元生成和神经元形态发生等通路。左、右海马体积相关的基因分别涉及不同的生物学通路。
5. 所识别甲基化标记与基因表达及相关表型的关联
所有与左、右海马体积相关的CpG位点均与其顺式基因表达显著相关。研究人员鉴定出15个与左海马体积、13个与右海马体积相关的“关键基因”（其表达同时与甲基化特征及海马体积相关）。大部分甲基化-基因表达关联呈负相关。中介分析提示，部分差异甲基化区域可能通过影响基因表达来介导对海马体积的效应。
6. 海马不对称性的性别特异性模式
尽管在全样本中未发现全表观基因组水平的显著性别-甲基化交互作用，但分层分析揭示了四个CpG位点与海马不对称性的关联存在性别差异。在女性中，cg16747427和ch.6.169008488F的高甲基化与较小的海马不对称性相关，且cg16747427与ABT1基因的低表达相关。在男性中，cg04564312和cg06074597的高甲基化与较大的海马不对称性相关。基线时这些位点的甲基化水平还能预测未来海马不对称性的纵向变化，在男性和女性中分别可解释高达30%和4.4%的变异。
7. 左右海马关键基因的功能差异及其与神经精神疾病的关联
在25个关键基因中，仅有5个与左右海马体积均相关，这些基因主要参与免疫调节。左海马体积相关基因主要涉及细胞信号传导和蛋白质生物合成通路，而右海马体积相关基因则更多与神经元分化和组织过程相关。孟德尔随机化分析表明，多个关键基因（如BAIAP2、MACF1、SLC16A5、CORO1B、DIP2C）的脑组织表达与多种神经精神疾病（如自闭症谱系障碍、精神分裂症、强迫症、重性抑郁障碍、阿尔茨海默病）存在潜在因果关系。特别地，女性中与海马不对称性相关的ABT1基因的低表达，被发现与自闭症谱系障碍风险增加存在潜在因果关联。
8. 海马相关甲基化特征与推定转录因子及靶基因的关联
整合分析显示，多个识别的甲基化位点位于启动子区等调控元件，并可能通过影响转录因子（如FOXO4、ZNF354C）的结合来调控靶基因（如DHRS1、GPR52、OTUD7A）的表达。
9. 甲基化数量性状位点分析和双向双样本孟德尔随机化关联
研究人员识别出与特定CpG位点相关的多个甲基化数量性状位点。双向孟德尔随机化分析提示，cg19045773的高甲基化可能导致右海马体积减小，而cg02929052的高甲基化可能导致右海马体积增大。
10. 饮食质量评分与所识别甲基化特征的关联
研究发现，坚持健康的饮食模式（如AHEI、DASH、EAT-Lancet等）与多个右海马体积相关CpG位点（如cg13343932、cg11047325）及差异甲基化区域的较高甲基化水平相关。反之，不健康的饮食模式（如DII）则与这些位点的较低甲基化水平相关。
11. 所识别基线甲基化特征与成像指标纵向变化的关联
基线甲基化水平可预测未来海马萎缩速率。例如，cg25770783的高甲基化与较慢的左海马体积损失相关，而cg19045773的高甲基化与较快的右海马体积损失相关。多个识别出的CpG位点组合可解释超过10%的左右海马体积萎缩率变异。差异甲基化区域水平也观察到类似的预测关联。
四、 讨论与结论总结
讨论部分核心内容：本研究通过大规模表观基因组关联研究荟萃分析和跨组学整合，揭示了普通成年人左右海马体积及不对称性特异的血液DNA甲基化特征。研究发现左右海马体积关联的基因在功能上存在差异：左海马相关基因侧重于细胞信号传导和蛋白质稳态，右海马相关基因则偏向于神经元分化与组织。孟德尔随机化分析将这些基因的脑表达与多种神经精神疾病风险联系起来。研究还发现了海马不对称性的性别特异性表观遗传模式，特别是在女性中，ABT1基因相关的甲基化与不对称性及自闭症风险相关。此外，多种健康饮食模式与这些甲基化特征相关，基线甲基化水平能显著预测未来的海马萎缩速率。这些发现强调了表观遗传调控在海马结构中的关键作用，并提示饮食等环境因素可能通过影响甲基化来调节脑健康。尽管存在血液与脑组织差异、队列间方法学差异等局限性，本研究为理解海马结构与疾病的分子基础提供了重要见解。
研究结论：这些发现强调，海马体积和不对称性由具有不同分子机制的特征所塑造，这些机制与大脑健康、性别特异性易感性和精神疾病风险相关，突显了表观遗传调控在大脑结构中的关键作用。本研究中识别出的甲基化特征可能作为年龄相关或神经退行性海马萎缩的潜在血液生物标志物或治疗靶点。
