精神分裂症多基因风险的功能全连结组学关联

1、精神分裂症是一种高度遗传性精神疾病，其特征是脑功能的失调。然而，多基因危险因素与连接组学广泛的神经机制之间的关系尚不清楚。本研究结合来自HCP的623名健康白种人的遗传和多范式功能磁共振成像数据发现 精神分裂症的多基因风险分数越 高，与包括视觉系统、 默认网络、 额顶网络系统的大范围脑功能网络低连接的相关性就 越显著。 在多个 fMRI 范式中均观察到这种相关性，表明精神分裂症个体大脑状态独立 性神经表型的易遗传性的基础。此外，使用从CNF获得的独立临床数据集，进一步证明了精神分裂症患者中识别的 连接性降低网络， 且与一般认知能力具有显著相关性。这些发现在系统水平上为精神分 裂症多基因风险与广

2、泛功能连接组的关联提供了证据， 并提示感觉 - 认知信息整合的损 伤可能是导致精神分裂症发病的大脑遗传效应的一个标志。 本文由耶鲁大学学者发表在Molecular Fsychiatry 杂志。 、.前言精神分裂症的高遗传率使对其遗传机制的理解变得至关重要。 由于遗传效应在人类 行为方面的作用是由神经回路功能介导的， 因此研究与精神分裂症遗传风险相关的功能 网络变化是实现这一目标的关键策略。 迄今为止， 这类研究主要集中在对典型精神分裂 症风险基因（如 DRD2 ZNF804A和CACNA1）与神经影像学关系的探究，或基于一级亲 属或孪生子数据对“影像中间表型”进行探究。 这两种探究的局限具有互

3、补性： 前者由 于单个遗传标记对疾病风险影响极小，而后者由于无法衡量遗传风险程度的个体差异， 无法将遗传风险与共享非家族遗传风险分离开来。在个体层面上评估遗传风险的一种方法是计算“多基因风险评分（FRS）”， 它本质上代表了一个人发展为精神分裂症的整体易遗传性。 通过这种方法， 每个个体都可以 用一个单独的PRS指数表示，有助于对个体基因组变异相关神经生物学表型进行评估。 结合PRS和功能性神经影像学资料，以往研究表明精神分裂症 PRS的变化部分程度地解 释了多个脑区功能的个体差异， 如工作记忆期间的前额叶皮层活动、情景记忆中的海马 活动， 预期奖赏时腹侧纹状体的活动。 尽管这些研究为精神分裂

4、症遗传风险与脑功能间 的相关性提供了重要证据，但它们只关注基于特定成像范式的先验区域。当下，PRS是否以及如何影响整个大脑层面和独立于范式外脑功能连接仍是一个关键但尚未解决的 问题。该问题的探究，对于促进精神分裂症发病机制的认识尤为重要。首先，精神分裂症 具有神经失连接的特点，且广泛分布于整个大脑，而非局限于某一区域。因此，与遗传 风险相关的连接改变也可能涉及广泛区域及连接。 对这些区域和连接的识别将有助于阐 明大脑容易受遗传风险因素影响的部分，并且可能与精神分裂症的病理生理学相关。另 一方面，由于PRS（多基因风险评分）本身反映个体特征，理论上在大脑层面与某些神 经“特征”相关，这些特征独立

5、于大脑参与的任何功能“状态”。虽然先前的研究结果 可能只反映了一种状态依赖性关系，但寻找状态独立性PRS神经生物学关联可能会让我 们对精神分裂症的遗传机制有更为基本的了解。本研究使用人类连接组项目（HCP中的fMRI数据探究个体遗传风险的全连接组关 联。 按照先前发表的流程， 作者在 623名健康参与者的样本中为每一个体构建了独立于 范式的全脑网络，这些参与者共完成了8个fMRI范式，且基于网络进行统计分析，将个体的连接模式与其 PRS进行分析。对于观察到的连接组学的关联，本研究从精神病学 基因组学联盟（CNP抽取完全独立样本，对发现的临床和行为相关性进行进一步检验。 具体讲，作为概念的证明，

6、本文研究了精神分裂症患者PRS相关脑网络的连接性是否会 改变， 是否会与患者的认知和临床症状相关。 有证据表明存在影像表型且与精神分裂症的行为表型相关，本研究期望在脑连接和个体 立于范式的关联。PRS（多基因风险评分）之间看到显著独材料与方法被试：本研究包括两个单中心的样本。 来自HC冲的样本包括623名健康受试者（年 龄28.86 3.63，男性：302名）。被试入组标准为：（1）白种人（2）被试具有八种范式（静息态、工作记忆、情绪处理、赌博、运动、社会认知、关系处理和语言处理 fMRI数据；（3）被试遗传数据可用。所有被试均提供书面知情同意书。CNP样本用于检查观察结果的临床相关性（表S1

7、），含44名精神分裂症患者（SZ年龄：35.80 8.94岁，男性：34名）、43名双相情感障碍患者（BD,年龄：35.21 8.87岁，男性：25名）、34名注意缺陷多动障碍患者（ADHD年龄：31.09 9.85岁, 男性：18名），77名健康对照（HCs年龄：30.70 8.54岁，男性：43名）。所有被 试均完成了队列中的七个范式（静息态、冒险、工作记忆、情景记忆编码、情景记忆提 取、信号终止和任务转换）。表S1:CNP样本临床和人口学资料Sox M/F)IQ I rfprm J ncQIQ-VerbaliQ-uverauSZ 5 *135.30 B9434/107S7 t 3 22i

8、Z.h I * 4 14BDfnn、 APHPfn34】Ptbc35 21 ,071D 2a 3.672H 4+ 4-8fc31.09 i 9530,70 t 0.54Z+.15 +卫屮24.J+ 4 47 -J0.004 (Dralll 0.02 (SZ vs HQ04 e (011 nil)0.001 (SZ vs HO 0jDO1vO.lDOl I 強 vsHLl (LUUL overall lLLt)l ISZ vsHtl - tlalluclnatlDnsa.27 * 7 5HtJL15 0 BO-O-lJtJX 15ZV5 HD)-SAM - OeluslDniiL2*5 i 10

9、.262.101 3.32-0.COl fSZSAPS - Blurre btliiivlur 二2A2 t 3 87 二1.55 12.34- rvs PD)0.0 日SZ vsSAPS N TIwuf tit di server72 tt264.75J5.7S=BD)0.05 (SZ VASANS Affccdrc bluDtinif.S.73 17 04Z3i4.90rBD) .02 (SZ vsSANS 川3.10 13 67aS3 J L.30 DD) -BD)遗传数据处理：数据处理流程如图1所示。输入的基因数据从上下载。在计算SNPs基因型确定性0.9，最htt ps:/www.

10、ncbi. nim. /projects/ga p/cgi-bi n/study.cgi.PRS之前，使用PLINK 1.9进行数据标准质控。具体来说,分解为一组主成分。 大多数共享方差， 一 PC矩阵被称为“连接所有八个成分并用奇异值分解法 - PC分数提取了主体中所有范式的 （图S1） 0这些个体特异的第 CPC矩阵”，并用于进一步分析。HCPpau 百一 dxa70686664IIIIIIIIIIIIllIIQNPI小等位基因频率0.05、基因型呼叫率0.95、Hardy-Weinberg平衡概率10-6。此外，由 于主要组织相容性复合体区域的高度连锁不平衡（LD）, 6号

11、染色体26000-33000kb之间的所有SNP都被排除在进一步的分析之外。最终样本包含了HCP数据中623个人的5732973 个 SNP使用基于精神病学基因组学联盟（htt ps://pgc/results anddown loads ）全基因组关联研究（GWA）结果的PRSice工具箱进行PRS分析。在500kb 的窗口内，基于R2V0.2的LD阈值，将所有在基数据集和目标数据集间匹配的SNP聚集。这些得分被计算为每一个体的全基因组风险等位基因的总和，并通过精神分裂症的相应优势比进行加权。研究报告了基于 GWAS P阈值（5X 10-8）的主要发现。此外，为

12、 了检验研究结果的稳健性，还计算了一组其他阈值范围为5X 10-7-5 X 10-2的PRSs影像数据处理：预处理影像数据下载于 htt ps:/db.huma nconn /o每一个个体独立范式网络使用主成分分析（PCA进行计算。从预处理的图像中提取大脑中270个节点（将全脑分割为了 270个脑区）的平均时间序列。对这些时间序列进行了扫描仪器、噪声、 生理噪声和头部运动的校正，且利用Pears on相关在每个范式中为每个被试生成270X270的连通矩阵。对每个被试的八个范式连接矩阵进行矢量化、.根据定义，PCA分析产生的第 因此反映了个体化的状态独立网络架构“跨范式连接（

13、62图S1：跨范式分析中第一主成分解释的方差百分比。HCP样本的网络统计分析：里 dorsOC + chimping * Ihrho4dingPftS/CofifwcbviTy from 皤11 flURI pend kg m*PTlKlp4l cwpofwntPinnt-lndtpd nd* ntcwiiwdlyrtyParadigm independentcrou-FunAgm)conntvilyt1 CorMwciivily niiHriv hom I HVfrfi iMRi pandiinHHfnpOrHinl fiftyAttendKhinphrn|i7SZ T BD y ADHDt

14、tfeLAhocuM wrih behwiwfli ipMtwypirtiTIII图1.本研究作者所使用数据处理流程PRS得分进行相关，CNP为另一站点数据，进行了相PRSs与全连接组间的关联。初始线性回归模性别、所有范式的相对头动值（FD）作为回HCP为作者根据270个节点提取出的时间序列构建的全脑网络，通过主成分分析方法抽取出能解释所 有不同范式网络的最大方差的主成分作为网络矩阵和 同的网络分析，然后与临床数据进行了相关分析采用网络统计（NBS分析方法，探究 型应用于CPC矩阵每一条边，PRS年龄、 归因子。该步骤生成一个 P值矩阵，表示接受每个边的 PRS效应的零假设的概率。然后 将P值

15、0.001的所有边阈值化为一组超阈值链接，并使用广度优先搜索来识别该集合内 的连接团块。给定团块的校正P值由导出的PRS效应。通过置换检验（10000次）控制FWE每个被试的PRS是随机的，且在每次置换检 验时，在相同的阈值下重新计算所识别团块的最大效应。 团块大小在置换分布中的比例决定，该比例大于观察到的CNPt羊本临床系相关结果：本研究使用CNP#本来检验在精神分裂症患者中是否可以检测到已鉴定的连接组学 发现，以及该发现是否与患者的行为缺陷有关。CPC分析遵循与上述完全相同的流程。在获得每一个体的独立范式 CPC矩阵后，从CNPt羊本中的CPC矩阵中提取出表明精神分 裂症多基因风险的识别网

16、络，并进一步求均值生成特定的被试指标。为检验精神分裂症患者是否存在这种网络连接的改变，对协方差模型进行分析，以比较 各组间的指标，包括年龄和性别。对显著的主效应，进行事后分析，比较各组之间的差 异。经Bonferroni校正后，显著性设为 P0.05。为检验所识别的网络与行为表型之间 的关系，对年龄和性别进行控制后进行了皮尔逊偏相关分析，测量其对智商和阳性症状 评估量表（SAPS及阴性症状评估量表（SANS得分的影响。结果PRS的全连接组关联：在HCP样本中，CPC!阵解释了所有范式中连接矩阵总方差的68% （图S1）。NBS分析显示精神分裂症 PRSs与 69条边连接的54个节点的大规模网络

17、间存在显著相关（PFWEV0.05 （图2A）。这些结节主要分布在大脑视觉系统（包括跟骨沟、枕上、枕 中、枕下回、舌回、梭形回）、默认网络（包括额叶内侧皮质、颞中、颞下回、楔前叶） 和额顶系统（包括额上下回和顶叶下皮质）。除了这三个主要系统外，尽管节点较少， 但该网络还涉及其他几个系统，如感觉运动、听觉、凸显、注意和皮层下等。较高PRS与识别网络中所有较低连接相关。PRSs与网络的平均CPC之间的相关系数为R=-0.37（图 2B），表明检测到的约网络总方差的14%（ R2）可以用精神分裂症的多基因风险来解释。；. Tf& f :J喙 1fMRI任务驱动，本研Rest *4Lli OLEHEm

18、otion ff- Aii，（L曲Gamblingt- -O-li f 0.001MemoryRi-Ol? * 0 i-r秤許-19、PfiS % c 严这J总 亠1 fl 11PR$RtlAtional-I- -t DIPRSSocialOU百 ro-ni.I?-3PHSLanguaIV- Al? f =IE 70 12 心* * I *r=-0.XSiP = 1E 4hSQiPRS10 20PRSs0 4Tftnsftofd: 5E-5PI卜11Q 2.5PRSThrosboid: 5E-20r* =0401 Ph MW,表明检测到的连接组相关结果不限于用于PRS计算的预图S2:连接组发现

19、在多个 GWAS P直阈值上的稳健性为了确保观察结果不是因头动驱动，检查所有范式中检测到的网络连接和平均FD之间的关联，未发现显著相关性(R=0.06，P=0.14)，表明检测到的连接组关联不太可 能由头动驱动。观察网络在患者中的呈现：在CNP羊本中，检测到的网络连接在各组之间具有显著差异(图3A)。事后分析显示，精神分裂症患者与对照组相比，显著的连接下降是造成这种差异的原因。随着各组 间精神分裂症的遗传接近度增加(即SZBDADHDHC识别网络的连接呈梯度下降，相比之下，其他组间并无显著差异。认知与临床症状相关：精神分裂症患者脑网络连接与智商得分呈显著正相关(R=0.33 , P=0.03

20、)，而健康受试者脑网络连接与智商得分无显著相关(R=0.06 , P=0.64 ,图3B)。联合样本中的相关性仍非常显著(R=0.29 , P=0.001 ),这表明患者在PRS相关网络中连接较低其认 知能力差。考虑到性别可能在精神分裂症患者的认知功能中起着重要作用，本研究进一步分离性别后对这种联系进行研究。结果发现，患者中检测到的相关仅在男性中显著(R=0.39 , P=0.02 )，而在女性中不显著(R=0.14, P=0.71,图3C)。这可能提示多基 因风险和性别之间可能存在相互作用，从而导致精神分裂症的认知缺陷。在精神分裂症患者，以及在精分和双相组合样本中，所识别的网络连接与临床症状

21、 之间并未显示出任何显著相关。A 石 百ssoADHD HC 皿川HCHConMcUvttr ot Rrs- rviHH rmwoTK Habe FemikAIt10尸_-0越4L1图3A/B/C: CNP数据中PRS相关网络的临床症状和认知相关性分析rwnVO rHIWuTHfMRI数据，本研究观察到健康白种人中精神分裂 已识别的相关网络连接主要涉及视觉系统、默PRS与此网络中较低的连接相关。此外，进一步表明，精神分裂症患者同一网络索引遗传易感性的连 PRS（多基因风险讨论结合HCP数据中的遗传和多范式 症多基因风险的全连接组学的显著关联。 认网络和额顶网络内部和之间的连接，较高的 利用独立

22、的临床数据验证， 接降低，且与智商得分相关。总的来说，本项研究首次为精神分裂症 评分）相关的全脑神经表型提供了证据。先前基于高危亲属和对照组之间的比较，已经证明了与精神分裂症遗传风险相关的大量以连接体为基础的中间表型，主要包括前额叶皮质、外侧和内侧颞叶皮质、顶叶皮 质和皮质下的连接。此外，少部分关注 PRS对脑网络连接影响的研究，发现风险分数与 范式依赖性功能连接指标呈显著负相关，包括静息态的前额叶皮层与海马体的连接，情 绪面孔加工过程中视觉皮层与边缘系统的连接。目前的研究结果与先前的发现在位置和方向上高度一致，表明在视觉、默认和额顶 系统等主要大规模网络中，PRS较高的个体功能连接较低。 值

23、得注意的是，本分析基于独立于任何特定fMRI范式的个体连接模式，且结果在不同的fMRI范式中得到了有力的 验证，表明这些发现可能反映出精神分裂症个体遗传脆弱性影响的独立状态的神经表 型。当与健康被试相比，在同一网络中精神分裂症患者的功能连接降低，但其他主要精 神障碍患者并未出现，表明该网络与精神分裂症尤为相关。总之，这些结果为将来的遗 传学和临床学对精分风险的研究提供个体化影像连接组表型指标。已知观察到的网络中的区域和系统与精神分裂症有关。具体地说，初级感觉系统（如视觉皮层）功能障碍可能会损害高阶认知系统的视觉感知和视觉信息输入，因此，被认 为与幻觉和情绪失调等症状有关。额顶网络是人类主要的认

24、知控制系统之一，其功能障 碍与患者认知缺陷相关的成熟表型。默认网络的异常活动和功能连接可能导致患者内在 集中思维与外在目标导向行为之间失衡，从而导致患者注意和凸显信息处理的紊乱。三个系统的功能连接与 PRSs间的负相关可能表明精神分裂症遗传易感性的累积可 能会导致大脑皮层感觉-认知信息整合的困难，进而使个体更容易发展成精神障碍状态。上述相同网络的功能连接与神经分裂症患者IQ呈显著相关，进一步证实了这种解释，表明观察到的网络的功能紊乱的确加剧了认知功能的损害。值得注意的是，认知缺陷是精神分裂症和精神病性疾病的一个广为所知的特点，长期以来被认为是临床症状异常的基础，并且能够预测疾病的发展。总结：这篇文章算是探索任务态脑网络和静息态脑网络相关研究如何脱离范式而进行一 般性网络分析并且能够和临床因素、基因表型等疾病表型进行综合性研究的重要文献。 由于任务态研究受到研究范式的影响，不同研究之间的可比性是较差的，但是作者利用主成分分析的方法，选择能够最大化解释脑网络中方差变异的主成分来进行不同研究间 的统合，可以说巧妙的避免了 HRF加权在任务态研究和静息态研究中的不同，从而可以更好的进行不同研究范式间的更具普遍性的探索性分析。但同样，本研究也存在一些不足。首先，本研究只探究了精神分裂症常见基因变异加