昼夜节律钟基因与精神障碍_孙振晓

·综述·

昼夜节律钟基因与精神障碍

孙振晓

于相芬孙波

【中图分类号】R749

【文献标识码】A 【文章编号】1007-3256（2012）04-0242-05

作者单位：276005

山东省临沂市精神卫生中心

内源性昼夜节律系统使机体的各种生理机能及其与外部环境之间相互协调，即包括感觉信息与环境时间、机体生理和心理状态的整合作用。当这种整合功能的协调性遭到破坏时，可发生精神障碍、情绪紊乱、睡眠－觉醒周期紊乱、激素水平及分泌高峰时间的变化。本文对昼夜节律生物钟的分子机制、昼夜节律钟基因在睡眠－觉醒周期障碍中的作用及其与精神障碍的关系作一综述。1

昼夜节律生物钟的分子机制

［1，2］

众所周知，多数生物都以24小时或近似24小时为周期而显示出明显的昼夜节律（circadian rhythms ）。这是机体接受外源光信号即授时因子作用而与环境同步化所致，这个过程称之为导引（entrainment ）。另一方面，即便没有外源光信号的作用，生物体仍可在内源性生物钟驱动下呈现内在的自由运转节律。各种变化的授时因子可通过导引重设生物钟，使机体的一切生理机能、生化活动等随外界环境的昼夜变化而变化。目前认为，昼夜节律生物钟机制主要包括钟振荡器（os-cillator ）、信号输入（input ）、信号输出（output ）和钟的整合或调节（integration or regulation ）。所谓钟振荡器是由一组昼夜节律基因及其编码的蛋白组成，是维持内源性生物钟运作的核心元件。昼夜节律生物钟的振荡器已明确定位于哺乳类视交叉上核（SCN ）。而非哺乳类脊椎动物的中枢振荡器位于多个组织，如松果体、视网膜和SCN 等，这些

部位在解剖和机能上与光的感觉有密切关系。视

网膜、松果体和深部脑区内的光敏钟细胞具有视蛋白型的感光分子，这些分子可触发G 蛋白调节的光转导通路。

昼夜节律是包括生物钟基因在内的细胞分子机制的结果，部分生物钟基因的产物可调节其自身的表达，形成反馈环路，其结果是导致mRNA 及蛋白质水平的振荡。这一现象已在主钟基因（下丘脑的SCN ）及其他脑区和外周组织中得到证实。在生物钟内，其他因素控制钟蛋白的磷酸化、稳定性及定位，因此也具有调节钟振荡器的作用。

在哺乳动物SCN 生物钟分子振荡的模式里，表现负向调节的基因转录的元件是PER 蛋白和

隐色素蛋白（cryptochrome ，CRY ）复合体，它们是由CLOCK /BMAL 进行正向调节，即CLOCK 及

BMAL1（脑或肌肉ARNT 样蛋白1，也称为ARNTL 或MOP3），形成杂二聚体，作用于PER 基因（PER1、PER2、PER3）或CRY 基因（CRY1、CRY2）的启动子区或内含子区，通过E －box 增强子成分

启动PER 、

CRY 基因的转录和翻译。Ror α和Rev －Erb α分别起激活及抑制BMAL1转录的作用。

NPAS2（神经元PAS 结构域蛋白－2）是BMAL1功能伴侣，也对昼夜节律具有调节作用。由E －box

调节的PER 、

CRY 基因的跨转激活受到它们自身产物PER 和CRY 蛋白的强烈抑制，

形成昼夜节律性转录激活、失活的分子周期。酪氨酸激酶I ε（CKI ε）、酪氨酸激酶I δ（CKI δ）及糖原合成酶激酶3（GSK3）可使生物钟蛋白磷酸化。这些酶可被泛酸连接酶复合物的组成部分如FBXL3及β－TRCP1降解。其相互作用，通过控制PER 和CRY

2

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聚集、结合及易位的比率来调节生物钟振荡的周期，从而控制生物钟的功能。如果生物钟基因发生突变可破坏机体情绪、心理及行为过程及其与环境的统一性，导致睡眠－觉醒周期紊乱及精神障碍。

2昼夜节律钟基因在睡眠－觉醒周期障碍中的作用

有关昼夜节律钟基因突变与睡眠－觉醒周期障碍的关系已引起人们的关注。Toh KL等［3］研究发现家族性睡眠时相提前障碍（FASPD）与PER2基因多态性有关，PER2基因蛋白的改变影响其被CKIδ/ε的磷酸化过程、使其稳定性及在细胞内的定位发生变化，引起睡眠时相提前。在对另一个FASPD家族的研究中，发现了CKIδ基因编码的突变。

研究发现睡眠时相延迟障碍（DSPD）和PER3基因多态性有关。PER3基因变化也与早－晚偏好有关［2］。Viola等［4］研究表明，与睡眠增多，慢波睡眠（SWS）增加及对睡眠剥夺效应易感者比较，个体在睡眠时PER3等位基因纯合子有显著差异，而褪黑素、皮质醇及活动的昼夜节律无差异，提示不同的生物钟基因可能通过其对生物钟的直接作用或通过其它机制如影响睡眠稳态而影响时型。

人类CLOCK基因的多态性也与夜晚偏好及睡眠－觉醒周期的定时延迟有关［2］。携带1个或2个CLOCK3111C等位基因的个体显示夜晚型睡眠者增加而清晨型睡眠者减少，而携带CLOCK3111T/T等位基因的个体清晨型睡眠者增多。在日本人群中发现CLOCK3111C/C基因型与睡眠时相延迟及白天睡眠增多有关，但在白种人中未得到证实，目前尚无足够的证据支持CLOCK3111C/C基因型与DSPD有关。

有证据表明夜晚时型可增加精神障碍的危险性［5］。双相情感性精神障碍（BPD）、精神分裂症及分裂情感性精神障碍患者均较对照组夜晚型睡眠者增加。在BPD患者中，这一发现可被年龄纠正（如年轻BPD患者夜晚型睡眠明显增加），而精神分裂症及分裂情感性精神障碍患者在任何年龄段夜晚型睡眠均明显增加。有研究提示BSPD可能与人格障碍有关［6］。一个研究发现，16%的青少年精神障碍患者（诊断包括BPD、分裂情感性精神障碍及边缘性人格障碍等）被诊断为BSPD 7．3%［2］。这些发现进一步提示昼夜节律与精神障碍有关。

3睡眠、昼夜节律钟基因与精神障碍

3．1重症抑郁障碍（MDD）睡眠障碍是MDD 的重要症状。80% 90%的抑郁症患者存在失眠，失眠也是抑郁发生的重要危险因素。睡眠障碍与生活质量差与抑郁复发的危险性增加有关。快速眼动（REM）睡眠潜伏期（RL）缩短、晚间REM睡眠的早期分布及早醒提示内源性昼夜节律系统的时相提前。应用睡眠时相提前疗法治疗抑郁症获得成功为这一假设提供了支持。另外，发现抑郁症患者体中心温度（CBT）升高，皮质醇升高、褪黑素分泌减少，也支持抑郁症涉及昼夜节律系统异常［2］。但迄今为止，尚无证据表明昼夜节律钟基因突变与MDD有关。Desan PH等［7］对143例MDD患者CLOCK3111C等位基因的多态性进行调查，结果发现与正常对照组无明显差异。

新近有证据提示电痉挛治疗以及针对多巴胺及5－羟色胺神经递质的抗抑郁药物治疗可能有相同的作用方式，通过抑制或增加GSK35酶的磷酸化。GSK3参与许多细胞功能，因而治疗机制可能涉及多种途径，包括神经元信息的调节、神经元保护、神经细胞的可塑性、雌激素和糖皮质激素分泌的调节、脑代谢及昼夜节律系统的调节等［2］。3．2双相情感性精神障碍（BPD）BPD患者常有睡眠障碍，并且是复发的早期症状。报告较一致的睡眠障碍包括失眠或睡眠过多、早醒、睡眠效率低及RL减少。睡眠－觉醒周期及日常活动不规律是情绪障碍的重要因素。在快速循环型患者中，从躁狂/轻躁狂发作转向抑郁发作/情感正常往往发生于睡眠过程中或睡眠后，而抑郁发作转向躁狂/轻躁狂发作更可能发生在一段清醒期后。BPD患者有昼夜节律障碍，表现生物钟时相提前，

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包括血清皮质醇昼夜分泌节律的时相提前［2］。

有关BPD与昼夜节律钟基因关系的研究集中于人类CLOCK基因3111T/C多态性。研究发现，CLOCKC/C等位基因与抗抑郁剂治疗时失眠严重、BPD的复发率高及睡眠需要减少有关［2］。Mansour HA等［8］对BPD或精神分裂症家族样本的8个昼夜节律钟基因（BMAL1、CLOCK、PER1、2、3、CRY1、2、TIMELESS）的单核苷酸多态性（SNP）进行研究，孟德尔遗传畸变分析提示BMAL1（ARNTL）及TIMELESS与BPD有关。另一个应用单型分析的研究证实了BPD与BMAL1（ARNTL）的联系，也发现与PER3有关（TIME-LESS未研究）［2］。

新近的证据提示锂盐的治疗作用可能与其对昼夜节律钟的直接作用有关。在啮齿动物，锂盐可延长昼夜节律的时相及SCN神经元电活动的时期。BPD患者存在体温及REM睡眠昼夜节律的延迟，提示锂盐的治疗作用部分是通过纠正昼夜节律系统的时相延迟。其可能的分子机制是通过抑制GSK3。尽管GSK3可通过多种机制介导昼夜节律的治疗作用，但极有可能是通过其作为昼夜节律钟中枢调节子的作用。许多证据支持这种观点：在小鼠的成纤维细胞，锂盐与GSK3基因抑制可导致mPER2周期的延长，GSK3磷酸化PER2及REV－ERBα，分别调节其定位及稳定性。更有趣的发现是GSK3抑制可能是其它心境稳定剂如丙戊酸盐及抗抑郁剂或电痉挛治疗的机制［2］。有研究证实了GSK3β－50T/CSNP等位基因频率的效应，具有GSK3βT/T等位基因的BPD 患者较具有GSK3βT/C或GSK3βC/C等位基因的患者发病年龄早，对锂盐的疗效差［9］。

3．3季节性情感性精神障碍（SAD）SAD患者常有睡眠障碍，尤其是睡眠过多，多导睡眠监测显示非快速眼动（NREM）睡眠延长，NREM睡眠每分钟慢波活动增加。相移假说认为，SAD患者冬季出现抑郁是由于自身昼夜节律系统存在关于睡眠－觉醒周期的季节特异性相移，应用光照疗法及外源性褪黑素治疗可纠正这种相移［2］。

Partonen T等［10］研究发现PERIOD2、NPAS2及BMAL1（ARNTL）基因多态性与SAD的危险性增加有关，他们对189例SAD患者及189名正常对照者的这3个生物钟基因SNP进行分析，发现BMAL1、PER2及NPAS2的多态性与SAD有关，当这3个基因的SNP某些等位基因结合在一起时，其发生SAD的危险性较其它基因型者增加4．43倍，较具有保护性基因型者增加10．67倍。已有研究发现SAD与NPAS2471亮氨酸等位基因的关系，而且证实了PER3647Val/Gly基因型与清晨型/夜晚型睡眠的关系，尤其在SAD组［2］。这些发现提示某些生物钟基因多态性与时型有关，某些昼夜节律钟分子结构的异常可增加SAD的易患性。

3．4焦虑障碍焦虑障碍患者常伴有睡眠障碍，无论在广泛性焦虑障碍（GAD）还是在创伤后应激障碍（PTSD）中睡眠障碍均常见，PTSD患者常有梦魇及REM睡眠减少。但由于焦虑障碍的异质性及与其它精神障碍如抑郁障碍的共病，有较少的证据提示特异性昼夜节律紊乱或昼夜节律钟基因在焦虑障碍中的作用［2］。在动物实验中有一些有趣的发现，一个研究揭示抗焦虑虑药物可使鼠脑PER1mRNA水平降低，提示改变昼夜节律钟基因水平可能是这类药物的治疗机制之一［11］。更有趣的发现是，具有CLOCK基因突变的小鼠焦虑减轻，它们较正常小鼠更可能长时间地在公开场合逗留，但由于这些小鼠也显示与躁狂有关的行为表现，尚不清楚如何更好地区分这些基因型［2］。3．5精神分裂症精神分裂症患者常有睡眠障碍，包括失眠、总睡眠时间（TST）减少、睡眠潜伏期延长、持续睡眠及睡眠效率差、SWS水平低等。具有失眠常常是疾病复发的征兆。对精神分裂症患者的活动监测记录提示有静息－活动周期紊乱，时相延迟、活动时间延长。对精神分裂症患者的强制非同步性实验提示24小时周期倾向于睡眠，提示有睡眠昼夜节律调节紊乱。有报道精神分裂症患者的CBT、脉搏及血压昼夜节律的同步失调，褪黑素分泌的昼夜节律性变化迟钝，催乳素、褪黑素及色胺酸分泌时相提前［2］。

有关昼夜节律钟基因多态性与精神分裂症的

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关系的证据较少。Takao T等［2］对145例日本精神分裂症患者的CLOCK基因的SNP分析显示，与健康对照组比较，具有T3111C基因多态性，并且认为这一多态性与SCN的多巴胺能传导异常有关，可能是精神分裂症发生的病理生理机制。由于多巴胺能信息通过D2受体增加CLOCK基因BMAL1的活动，提供了精神分裂症多巴胺假说与昼夜节律异常的有趣联系。尸检研究显示与年龄相匹配的正常对照组比较，精神分裂症患者颞叶PER1mRNA表达减少。研究发现PER3及TIME-LESS与精神分裂症、分裂情感性精神障碍、BPD 有关［8］。由于CRY1基因位于染色体12q23－q24．1区域，主要发挥对昼夜节律钟的调节功能，靠近最易出现SNP的区域（linkage hotspot，12q24），因此被认为是精神分裂症的候选基因［13］。

3．6痴呆Alzheimer病（AD）患者睡眠障碍及静息－活动周期紊乱常见，包括“夕阳综合征”，表现晚间徘徊、攻击行为、言语凌乱及激越增加，多导睡眠仪监测显示入眠后醒觉增加、夜间TST、睡眠效率、REM睡眠减少，RL增加、脑电图慢波活动增加。研究显示AD患者睡眠障碍与认知分低相关联，提示睡眠指标的变化可能有诊断价值［2］。另外，AD患者的一些生理变量的昼夜节律有改变，如活动的昼夜节律振幅减小，CBT昼夜节律的峰值减小、时相延迟、褪黑素及其代谢产物的分泌峰值减小。尽管AD患者所有变量与年龄相匹配的健康对照组差异无显著性，但CBT时相延迟尤应引起重视，因为在健康老年人倾向于CBT时相提前［2］。对AD患者的解剖学研究显示其激素及睡眠－活动周期的昼夜节律变化是由于主时钟本身的变化所致，在对SCN主时钟的定时信息有反应的松果体及其它可产生褪黑素的脑区发现有昼夜节律钟基因表达的分子变化［2］。对非痴呆者的松果体组织尸检显示，BMAL1、CRP1、PER1、褪黑素、褪黑素合成、β1肾上腺素受体mRNA、及控制褪黑素昼夜节律的受体有昼夜节律性波动。而AD患者无昼夜节律性变化，提示AD患者存在SCN昼夜节律信息的异常［14］。这些发现提示，来自SCN的信息减弱可能也是AD患者CBT及睡眠－觉醒节律变化的原因。

3．7酒精所致精神障碍急、慢性饮酒以及戒酒都会引起生物节律的变化，从而导致心理、内分泌、行为节律的改变。生物钟能调节许多与酒精有关的行为和生理反应；生物钟对于嗜酒的人有定时作用，对人和动物的研究都表明饮酒成瘾后都必须在特定的时间饮酒；酒的摄入、消化及戒酒都会破坏正常的有节律的生物活动，如睡眠、活动、体温、激素分泌节律的紊乱。这些发现表明酒精与生物节律是有关联的。但有关昼夜节律钟基因多态性与酒精所致精神障碍关系的证据较少。Spanagel R等［15］研究发现，具有PER2突变［PER2蛋白PAS（PER－ARNT－SIM）结构区缺失］的小鼠谷氨酸受体Eaat1表达低，导致星形胶质细胞对谷氨酸的摄取减少，脑中细胞外间隙谷氨酸水平升高，酒精摄取增加。在人类PER2基因突变也与酒精摄取的调节有关。一种用于维持戒酒的药物阿坎酸（acamprosate）的作用机制可能是通过降低谷氨酸水平，减少酒精摄取。提示谷氨酸介导了昼夜节律钟基因PER2突变与酒精摄取增加的联系。

4小结

研究表明BPD与昼夜节律钟基因，特别是CLOCK基因多态性有关，心境稳定剂及抗抑郁剂的治疗机制涉及GSK3。尽管昼夜节律钟基因与其它精神障碍关系的研究尚处在早期阶段，但进展较大，尤其是对SAD及精神分裂症的研究发现。昼夜节律钟基因为基因组扫描在精神障碍鉴别诊断、基因治疗及指导发展新的精神药物等方面提供了方向。应进行设计严谨的对照研究探讨精神障碍患者睡眠与昼夜节律紊乱的关系，并探讨精神障碍的基因基础。

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（收稿：2012－04－07）

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