張寧男楠,張璋
腎腦表達(dá)蛋白(kidney and brain expressed protein,KIBRA)基因rs17070145單核苷酸多態(tài)性與人類記憶及阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease,AD)有關(guān)。歐美高加索健康人群的相關(guān)研究顯示,KIBRA基因多態(tài)性存在多種行為學(xué)測(cè)評(píng)及腦功能區(qū)差異,但研究存在不一致性[1-8]。因此本研究將基于功能連接密度(functional connective density,F(xiàn)CD)方法,分析天津地區(qū)漢族健康青年人群KIBRA基因多態(tài)性對(duì)記憶測(cè)評(píng)及腦功能連接的影響,并探討其病理生理機(jī)制。
1.1 研究對(duì)象 于2015年3—8月連續(xù)收集在天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院查體的天津地區(qū)健康青年人。入組標(biāo)準(zhǔn):年齡18~35歲,漢族,性別不限,右利手,無(wú)神經(jīng)及精神系統(tǒng)疾患,無(wú)腦創(chuàng)傷、藥物和乙醇依賴史或其他可能影響腦結(jié)構(gòu)與功能的疾病。最終納入研究的267例受試者均具有完整的行為學(xué)、遺傳學(xué)資料和磁共振影像學(xué)數(shù)據(jù),其中男118例,女149例,年齡18~29歲,中位年齡23(21,24)歲。本研究以書面形式告知受試者研究?jī)?nèi)容并征得同意,研究?jī)?nèi)容經(jīng)天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。
1.2 行為學(xué)測(cè)評(píng)資料 (1)中國(guó)修訂版的韋氏記憶量表,包括①長(zhǎng)時(shí)記憶:1~100、100~1、積累;②短時(shí)記憶:圖片、再認(rèn)、再生、聯(lián)想、觸覺(jué)、理解;③瞬時(shí)記憶:背數(shù);④記憶商數(shù)。(2)威斯康星卡片分類試驗(yàn)中的持續(xù)性錯(cuò)誤百分比。以上量表全面評(píng)估受試者的記憶及執(zhí)行功能。
1.3 遺傳學(xué)資料 KIBRA rs17070145基因型檢測(cè):從3 000 μL全血中利用EZgeneTM血液gDNA小量提取試劑盒純化提取DNA,應(yīng)用聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)和連接酶檢測(cè)反應(yīng)(ligation detection reaction,LDR)檢測(cè)C/T等位基因(委托上海翼和應(yīng)用生物技術(shù)有限公司完成)。
1.4 磁共振影像學(xué)數(shù)據(jù) 采用GE 3.0T Signa HDx磁共振掃描儀及8通道頭線圈,對(duì)所有受試者進(jìn)行全腦3D高分辨率T1結(jié)構(gòu)像和靜息態(tài)功能磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)掃描。全腦3D高分辨率T1WI結(jié)構(gòu)像采用顱腦容積成像序列進(jìn)行矢狀位掃描。掃描參數(shù):重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間/反轉(zhuǎn)時(shí)間8.1/3.1/450.0 ms,視野256 mm×256 mm,矩陣256×256,翻轉(zhuǎn)角度(FA)13°,層厚1.0 mm,無(wú)間隔,層數(shù)176。靜息態(tài)fMRI采用梯度回波單次激發(fā)回波平面成像(echo planar imaging,EPI)技術(shù)。掃描參數(shù):重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間2 000/30 ms,視野240 mm×240 mm,矩陣64×64,F(xiàn)A 90°,層厚4.0 mm,無(wú)間隔,層數(shù)40,采集180個(gè)時(shí)相。
1.5 數(shù)據(jù)處理
1.5.1 靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理 采用基于Matlab的SPM8進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。對(duì)剩余170個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行層面時(shí)間校正和時(shí)間點(diǎn)之間的頭動(dòng)校正(去除三維平移超過(guò)2 mm、三維旋轉(zhuǎn)超過(guò)2°的受試者數(shù)據(jù))。此外,計(jì)算不同時(shí)相之間頭動(dòng)位置的改變,即幀位移量(framewise displacement,F(xiàn)D),以反映某幀圖像相對(duì)于前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均位移量。隨后對(duì)每個(gè)受試者的結(jié)構(gòu)像和功能像線性配準(zhǔn)。采用3 mm再采樣進(jìn)行歸一化,并將個(gè)體頭像配準(zhǔn)到MNI(montreal neurological institute)標(biāo)準(zhǔn)空間。通過(guò)線性回歸,去除頭動(dòng)、腦白質(zhì)及腦脊液的平均信號(hào)。在0.01~0.08 Hz頻率范圍內(nèi),通過(guò)帶通濾波去掉數(shù)據(jù)的線性漂移和高頻背景噪聲等非生理信號(hào)。
1.5.2 全腦FCD計(jì)算 經(jīng)過(guò)時(shí)間校正、頭動(dòng)校正及空間標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)用于計(jì)算FCD。基于Zhang等[9]研究,通過(guò)Linux平臺(tái)的內(nèi)部腳本計(jì)算FCD值,即某一體素與全腦其余灰質(zhì)體素間存在功能連接的個(gè)數(shù)?;驹硎钱?dāng)兩個(gè)體素的時(shí)間序列Pearson相關(guān)系數(shù)大于0.6時(shí),認(rèn)為兩個(gè)體素間存在功能連接。在全腦灰質(zhì)模板內(nèi)得到每個(gè)體素FCD值后,除以全腦的平均FCD值,得到每個(gè)受試者標(biāo)準(zhǔn)化的全腦FCD(global FCD,gFCD),并利用全寬半高(full-width at half-maximum,F(xiàn)WHM)為8 mm的高斯核進(jìn)行空間平滑,進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的正態(tài)分布性。
1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件包分析數(shù)據(jù)。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)對(duì)所有連續(xù)變量數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),所有數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布。連續(xù)變量數(shù)據(jù)組間差異比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。分類變量組間比較采用χ2檢驗(yàn)。將性別、年齡、受教育年限作為協(xié)變量,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較C基因攜帶者和TT純合子攜帶者之間的差異,得到組間差異的gFCD腦區(qū)。該結(jié)果需要進(jìn)行蒙特卡洛模擬(Monte Carlo simulation)校正,校正的方法及參數(shù)為:每個(gè)體素閾值設(shè)定在P<0.001,團(tuán)塊大小為≥64個(gè)體素時(shí)認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(相當(dāng)于校正后閾值達(dá)到P<0.05的效果),校正后的gFCD腦區(qū)作為最終結(jié)果。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1 人口學(xué)、基因及行為學(xué)數(shù)據(jù) 通過(guò)KIBRA基因分型檢測(cè),267例受試者中,TT、TC、CC基因型攜帶者分別為155例(58.05%)、99例(37.08%)、13例(0.05%),T、C等位基因頻率為76.05%和23.41%;112例為C基因攜帶者,即TC+CC,基因型分布頻率符合Hardy-Weinberg平衡(χ2=0.310,P>0.05)。
TC+CC基因型組和TT型組間年齡、性別和受教育年限差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。韋氏記憶量表中,TC+CC基因型組代表長(zhǎng)時(shí)記憶測(cè)試的積累分測(cè)驗(yàn)得分高于TT基因型組(P=0.05),不同基因型組間其余各項(xiàng)測(cè)驗(yàn)評(píng)分及記憶商數(shù)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。威斯康星卡片分類試驗(yàn)中,不同基因型組間代表執(zhí)行功能的持續(xù)性錯(cuò)誤百分比差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見表1。
2.2 基因型組間的全腦FCD分析 KIBRA C基因攜帶者(TC+CC)與TT純合子攜帶者間gFCD存在差異的腦區(qū)為右側(cè)枕中回(圖1A,峰值點(diǎn)MNI坐標(biāo)x=27,y=-75,z=36,團(tuán)塊大小64個(gè)體素,峰值點(diǎn)T值=4.139;校正后P<0.05)。相對(duì)于TT純合子攜帶者,C基因攜帶者的FCD值增高(圖1B)。
本研究對(duì)AD候選基因KIBRA在天津地區(qū)健康漢族人群中腦功能連接密度的影響進(jìn)行了探索性研究。結(jié)果表明,KIBRA不同基因型間存在記憶評(píng)分和腦功能的差異,TT純合子攜帶者的長(zhǎng)時(shí)記憶好于C基因攜帶者;兩個(gè)基因型的差異腦區(qū)為枕中回,C基因攜帶者的腦功能激活程度高于TT純合子攜帶者。
Tab.1 Comparison of demographic and behavior data between genotypic subgroups表1 不同基因型受試者人口學(xué)及行為學(xué)數(shù)據(jù)的比較
Fig.1 Significant FCD difference found in right occipital gyrus in KIBRA genotypic subgroups圖1 右側(cè)枕中回的FCD存在KIBRA不同基因型間表達(dá)差異
3.1 影像遺傳學(xué)與AD 近年來(lái),快速發(fā)展的影像遺傳學(xué)將功能影像學(xué)和遺傳學(xué)方法相結(jié)合,將腦功能作為中間表型,相比于單純行為學(xué)評(píng)價(jià)的表型更能直接反映基因功能,為研究基因多態(tài)性對(duì)大腦功能及行為的潛在作用提供了獨(dú)特的視角。FCD是一種不依賴腦圖譜模板來(lái)構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)的功能影像學(xué)方法,計(jì)算每個(gè)體素與全腦體素存在功能連接的數(shù)目,從全局角度發(fā)現(xiàn)功能連接數(shù)目最多的節(jié)點(diǎn)。該方法不依賴腦圖譜模板來(lái)構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò),可以更全面、客觀地反映全腦信息,適合對(duì)機(jī)制不明的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病進(jìn)行探索性研究(如AD)。遺傳因素在AD的發(fā)生中起重要作用,且具有不隨時(shí)間病程變化而改變的特點(diǎn),影像遺傳學(xué)可作為早期識(shí)別AD的一種研究手段。已有研究顯示,AD候選基因KIBRA在AD的重要腦區(qū)海馬和顳葉高表達(dá),KIBRA基因多態(tài)性與AD危險(xiǎn)存在正相關(guān)。
3.2KIBRA基因多態(tài)性對(duì)行為學(xué)、腦功能的影響 本研究發(fā)現(xiàn),KIBRATT純合子攜帶者的長(zhǎng)時(shí)記憶好于C基因攜帶者,這里所說(shuō)的長(zhǎng)時(shí)記憶仍屬于短期記憶的范疇,應(yīng)區(qū)別于AD患者長(zhǎng)期記憶保留特點(diǎn)中的長(zhǎng)期記憶概念,TT純合子和C基因攜帶者這兩個(gè)基因型間行為學(xué)的差異可能與KIBRA基因單核苷酸多態(tài)性有關(guān)。KIBRA基因單核苷酸多態(tài)性表現(xiàn)在等位基因T→C堿基轉(zhuǎn)換。正常表達(dá)情況下,KIBRA基因編碼的蛋白位于染色體5q35.1上,包含1 113個(gè)氨基酸,其中第953~996氨基酸區(qū)是與蛋白激酶Cζ(PKCζ)的結(jié)合區(qū),PKCζ水解形成的異構(gòu)體蛋白激酶M是維持后期長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)作用(LTP)的必要條件[10-11]。LTP是突觸可塑性的表現(xiàn)形式,而人類記憶的重要神經(jīng)基礎(chǔ)為突觸可塑性。因此,KIBRA對(duì)維持持久性記憶,而且很可能對(duì)維持長(zhǎng)期記憶都是重要的。當(dāng)發(fā)生T→C堿基轉(zhuǎn)換后,影響上述過(guò)程的正常進(jìn)行,推測(cè)可能是C基因攜帶者的長(zhǎng)期記憶存在潛在損傷的原因。無(wú)論是亞洲人群還是歐美人群[1-5],KIBRAT基因攜帶者在言語(yǔ)記憶、情景記憶、瞬時(shí)記憶及短時(shí)延遲記憶的表現(xiàn)優(yōu)于CC攜帶者,提示C基因型可能影響記憶功能。
另外,本研究發(fā)現(xiàn),靜息狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)記憶較差的C基因攜帶者的FCD值高于TT純合子攜帶者。對(duì)于KIBRA基因多態(tài)性影響腦功能的研究有多種發(fā)現(xiàn)。一項(xiàng)針對(duì)歐美高加索健康青年人的任務(wù)態(tài)影像遺傳研究發(fā)現(xiàn),選擇記憶評(píng)分一致的CC基因型和T等位基因攜帶者兩組中,CC攜帶者出現(xiàn)激活腦區(qū),推測(cè)可能的原因是為了維持同等水平的行為學(xué)功能,出現(xiàn)腦功能的代償激活[1]。而對(duì)歐美高加索老年人的任務(wù)態(tài)研究認(rèn)為,T基因攜帶者記憶評(píng)分較好,同時(shí)發(fā)現(xiàn)腦區(qū)激活增加,是由于該腦區(qū)功能強(qiáng)的原因[3]。對(duì)亞洲青年人群的研究則發(fā)現(xiàn),C基因攜帶者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)腦區(qū)同步一致性增加,但同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的部分腦區(qū)灰質(zhì)體積減小,可能存在腦結(jié)構(gòu)-功能代償[5]。存在以上結(jié)果差異的原因可能有兩點(diǎn):第一,KIBRA不同基因型的腦功能表現(xiàn)受年齡影響,目前文獻(xiàn)報(bào)道較少,需要更多的研究驗(yàn)證;第二,不同種族人群KIBRA基因型分布不同,例如T等位基因在歐洲高加索人的頻率約為25%,在非裔美國(guó)人群約為50%[1],而在亞洲人群中卻占到近75%,這也是本研究中將TT純合子作為一組、C等位基因攜帶者作為另一組的依據(jù)。
3.3 枕葉與AD相關(guān)基因關(guān)系 本研究中,KIBRA基因單核苷酸多態(tài)性影響腦功能改變的腦區(qū)是枕中回。AD尸檢神經(jīng)病理結(jié)果顯示,淀粉樣蛋白被認(rèn)為是AD標(biāo)志物,枕葉皮質(zhì)是該淀粉樣蛋白早期出現(xiàn)的腦區(qū)之一[12]。影像學(xué)上有相關(guān)的研究證實(shí),AD患者枕葉具有結(jié)構(gòu)、靜息態(tài)和任務(wù)態(tài)功能及功能網(wǎng)絡(luò)的損傷。例如,AD患者的枕葉灰質(zhì)體積減少,且與大腦靜息狀態(tài)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的功能連接減低有關(guān)[13]。另一項(xiàng)早期AD患者的腦網(wǎng)絡(luò)與任務(wù)表現(xiàn)有效性關(guān)系的研究顯示,表現(xiàn)有效性高的AD患者在顳枕葉腦區(qū)出現(xiàn)了增強(qiáng)的腦功能連接度,而這種增強(qiáng)的表現(xiàn)被認(rèn)為是一種對(duì)神經(jīng)退變的代償機(jī)制[14]。另外,枕葉的靜息狀態(tài)出現(xiàn)α節(jié)律被認(rèn)為是輕度認(rèn)知功能障礙(mild cognitive impairment,MCI)的重要腦電圖(electroencephalographic,EEG)標(biāo)志,早期AD的認(rèn)知功能和灰質(zhì)密度與枕葉的α節(jié)律的幅度呈正相關(guān)[15]。正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET-CT)研究發(fā)現(xiàn),為了維持較好的定向能力,AD患者的枕中回代謝增加[16]。更進(jìn)一步研究顯示,在AD的早期階段MCI患者中,攜帶載脂蛋白E(ApoE)ε4基因的MCI-AD轉(zhuǎn)歸者具有更顯著的枕葉萎縮,而非ApoEε4基因的MCI-AD轉(zhuǎn)歸者僅有額頂葉體積的減少[17]。以上研究提示,在AD的早期及晚期階段均有枕葉的受累,表現(xiàn)為體積的減少及功能的減退。ApoEε4基因能增加晚發(fā)型AD的風(fēng)險(xiǎn)或年齡相關(guān)的認(rèn)知功能減退,該基因被認(rèn)為是AD的風(fēng)險(xiǎn)基因。一項(xiàng)研究納入了26~45歲的正常中青年人群,通過(guò)比較攜帶ApoEε4基因與非攜帶者的腦灰質(zhì)體積發(fā)現(xiàn),攜帶ApoEε4基因人群的枕葉皮質(zhì)灰質(zhì)體積相對(duì)增加[18]。且本研究發(fā)現(xiàn)KIBRAC基因攜帶者的FCD增高。這些研究反映了在AD發(fā)生之前,長(zhǎng)期存在的基因差異可持續(xù)性地影響腦結(jié)構(gòu)和功能,這些結(jié)構(gòu)和功能的改變可能會(huì)最終導(dǎo)致AD候選基因攜帶者在步入老年時(shí)易患AD。
3.4 局限性及展望 本研究存在一定的局限性。首先,雖然入組人數(shù)已達(dá)到近300例,但是對(duì)于影像遺傳研究來(lái)說(shuō),單個(gè)等位基因的樣本量仍顯不足;最終入組的受試者主要是天津地區(qū)的漢族大學(xué)生人群,在不同地區(qū)、種族間有無(wú)差異需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量并驗(yàn)證當(dāng)前研究的結(jié)果。其次,KIBRA基因?yàn)锳D候選基因,因此下一步的研究對(duì)象將擴(kuò)展為老年人及AD患者。最后,本研究結(jié)果顯示KIBRA不同基因型間只有右側(cè)枕中回的FCD存在差異,其原因未明,我們會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量并驗(yàn)證左、右兩側(cè)枕中回FCD的差異。
綜上,本研究探討了天津地區(qū)健康漢族青年人群KIBRA基因多態(tài)性對(duì)認(rèn)知及腦功能的影響,有助于發(fā)現(xiàn)AD遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素造成記憶功能損害的神經(jīng)機(jī)制,為建立早期識(shí)別AD風(fēng)險(xiǎn)人群的遺傳及影像學(xué)指標(biāo)奠定基礎(chǔ)。
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