精神分裂症(Schizophrenia,SCZ)、双相情感障碍(Bipolar Disorder,BPD)及重性抑郁障碍(Major Depression Disorder,MDD)是最常见的三种重性精神病。三者人群总终生患病率约为5%。精神病是复杂的多基因遗传病,通过连锁和关联分析,已经发现了多个候选基因,包括:COMT,DISCi,NRG1,BDNF,GABRB2等。然而迄今为止,精神病发病的分子机制尚未完全清楚阐明。精神病的遗传度高达80%,该病在同卵双生子中共患病率约为50%左右,表明除遗传因素外,环境因素在精神病发生发展中起着重要作用。近年来,表观遗传学修饰被认为是介导遗传与环境相互作用的重要机制。表观遗传学修饰是在不改变DNA序列的情况下调节基因的表达可遗传的调控机制,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA和染色质重塑。DNA甲基化作为研究最多的表观遗传修饰方式,可通过抑制转录因子与DNA序列的结合或者募集甲基化结合蛋白的方式控制基因的表达水平。近年来,大量文献表明,DNA甲基化参与调节神经干细胞、神经元和胶质细胞的发育,对中枢神经的发生、突触形成和学习记忆等产生了重要影响。我们的课题组在先前的研究中发现伽玛氨基丁酸A型受体β2亚基基因GABRB2在DNA变异、RNA表达和基因印记层面上被证实和精神分裂症易相关。为进一步研究GABRB2基因启动子区域DNA变异是否参与甲基化修饰的调控,本论文第一部分是基于279例精神分裂症患者和256例健康对照样本外周血DNA样本,通过GABRB2启动子区域甲基化与羟甲基化修饰水平检测、SNP基因分型数据分析和SNP变异影响启动子活性的细胞实验发现:GABRB2启动子区域rs3811997(C/T)是疾病相关的SNP位点;rs3811997基因型为CC的病人较基因型为CT的患者GABRB2基因启动子区域甲基化水平显著上调;rs3811997的次要等位基因T与主要等位基因C相比可显著上调GABRB2基因启动子活性。上述结果表明精神分裂症易感基因GABRB2存在疾病相关SNP基因型依赖性DNA甲基化异常改变,疾病相关DNA变异影响启动子活性。精神分裂症易感基因GABRB2为印记基因,在精神分裂症疾病状态下出现等位基因不平衡传递现象,且等位基因表达的偏移程度与RNA表达水平相关。实际上,除众所周知的遗传印记和X染色体失活表现为来自父或母本DNA表观遗传修饰尤其DNA甲基化的不同导致仅有一条染色体(等位基因)有转录活性外,基因组中还广泛存在等位基因特异性表达(allele-specific DNA expression,ASE)、等位基因特异性DNA甲基化(allele-specific DNA methylation,ASM)。在我们前期的工作中证实了精神分裂症易感位点rs1816071(A/G)为GABRB2表达调控位点,而且同为AG杂合基因型的个体在病例和对照个体中GABRB2表达水平存在显著差异,这种表达水平差异与rs1816071附近区域的DNA异常甲基化修饰相关。结合本研究的SNP介导GABRB2基因启动子DNA甲基化调控和表达调控的结果,我们提出了等位基因特异性DNA甲基化参与单发病同卵双生子精神病发病机制这一假说。为了在全基因组等位基因DNA甲基化水平探讨精神病的发病机制,本论文第二部分是基于17对同卵双生子(8对单发病同卵双生子、5对双发病同卵双生子和4对健康同卵双生子)外周血样本DNA/RNA,进行全基因组甲基化测序(MeDIP-seq)和RNA-seq,通过Varscan结合Ensembl数据库中VEP的人类基因组遗传变异数据库进行SNP位点等位基因DNA甲基化的定量,开展疾病相关全基因组甲基化包括不分等位基因的DNA甲基化和等位基因特异性DNA甲基化(ASM)的分析及其介导RNA表达调控的研究。全基因组不分等位基因的DNA甲基化差异分析找到了 5000个差异甲基化区域(Different methylation regions,DMRs)即 Top5000 DMRs,这些区域可注释到2301个基因的启动子区和基因上,涵盖了多个前人已发现的精神病相关基因。以Top5000DMRs甲基化水平进行样本分层聚类分析,可将样本中的病例和对照完全分开;Top5000 DMRs也较多的富集在精神疾病相关的转录因子结合Motif上、染色体状态中的增强子和转录活性高的区域,且与已经报道的精神分裂症脑组织差异甲基化区域和差异表达基因存在显著富集。全基因组等位基因特异性DNA甲基化分析发现605个ASM位点的等位基因甲基化方式在疾病和对照个体间存在显著差异(PSY-ASM),其中基于单发病双生子对之间差异的ASM位点有530个(我们定义为表观遗传水平的差异ASM,genetic-independent ASM,giASM);存在于所有同卵双生子的对照和病例组之间差异的ASM位点有86个(我们定义为遗传学和表观遗传学因素共同作用的差异ASM,genetic-dependent ASM,gdASM)。605个疾病相关ASM位点显著富集于转录因子结合区域、DNase Ⅰ酶高敏位点、增强子及精神分裂症GWAS数据中。在这605个PSY-ASM位点中,我们发现有318个为功能性SNPs(regulatory SNPs,rSNPs);在这318个rSNP中有117个ASM位点已被证实为脑组织调控表达的数量性状位点(expression quantitative trait loci,eQTL),且其调控基因与rSNPBase对应的调控靶基因一致;我们在这1 17个属于脑组织eQTL的ASM位点中发现有1 1个ASM位点的等位基因变异影响转录因子结合,1个ASM位点等位基因变异影响miRNA的结合,7个ASM位点落在增强子区域和17个ASM位点位于SCZ-GWAS发现的SNPs附近。我们还发现63个基因既是包含了疾病相关DMRs又包含了疾病相关ASM位点,并且疾病相关DMRs和ASM对共同富集于EBF1和CTCF两个转录因子结合区域。此外,DNA甲基化和ASM与RNA表达的相关性分析,我们也发现了 8个RNA表达相关的DNA甲基化位点(eQTM,expression quantitative trait methylation)和 16 个 RNA 表达相关的 DNA 等位基因特异性甲基化位点(expression quantitative trait allelic methylation,eQTASM)。本项研究从单个基因GABRB2和全基因组水平研究了 DNA甲基化包括不分等位基因和等位基因特异性甲基化介导遗传变异对精神疾病发生发展的重要作用,为进一步从遗传学和表观遗传学及相互作用角度研究监测精神疾病发生发展的重要标志物提供了依据。