青少年白质成熟介导了表观遗传因素与认知发展之间的关联

《Developmental Neurobiology》：Adolescent White Matter Maturation Mediates Epigenetic Associations With Cognitive Development

　　DNA甲基化变化与青少年脑白质发育及认知能力提升的关系研究。通过纵向队列分析发现，特定基因（如GRIN2D、GABRB3等）的甲基化水平下降与脑白质FA值增加显著相关，且FA增强的脑网络（如 corpus callosum、posterior thalamic radiation）中介了甲基化变化与认知发展之间的关联，表明DNA甲基化调控的神经递质系统及髓鞘形成机制在青春期脑发育中起关键作用。

　　在青少年时期，大脑的成熟是一个复杂而关键的过程，伴随着神经结构和功能的显著变化。其中一个显著的特征是神经元轴突的髓鞘化（myelination）增强，这一过程在扩散磁共振成像（dMRI）中通常通过分数各向异性（fractional anisotropy, FA）的变化来体现。然而，尽管髓鞘化和认知能力的提升已被广泛研究，其背后的表观遗传调控机制，尤其是DNA甲基化（DNAm）如何影响这一过程，仍然是一个未解之谜。本文基于一项长期追踪研究，探讨了DNA甲基化在七个特定CpG位点的变化与青少年大脑白质成熟及认知能力提升之间的关系，揭示了表观遗传变化在神经发育中的潜在作用。

### 青少年大脑的发育与认知改善

青春期是大脑结构和功能发生显著变化的时期，这一阶段的神经重塑不仅影响大脑的物理结构，还与认知能力的提升密切相关。研究表明，青少年在这一阶段表现出增强的认知控制能力、复杂注意力任务表现、工作记忆和语言流畅性（Peters et al., 2012; Simmonds et al., 2014）。这些变化通常伴随着大脑白质的成熟，而白质的成熟过程主要通过髓鞘的增加和神经纤维的组织优化实现。髓鞘化不仅提高了神经信号的传导速度，还增强了神经元之间的连接效率，从而支持更复杂的认知功能。

然而，目前关于表观遗传调控如何影响这些变化的研究仍处于初步阶段。表观遗传学提供了一种非基因组层面调控基因表达的机制，其中DNA甲基化是重要的调控方式之一。甲基化通常发生在DNA中的胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG）位点，这种修饰可以抑制或激活基因表达，从而影响大脑发育和功能。尽管已有研究表明，DNA甲基化在不同组织中具有一定的可比性，例如唾液、血液和脑组织（Braun et al., 2019; Han et al., 2019），但其在大脑发育中的具体作用仍需深入探索。

### 七种关键基因与DNA甲基化

在本研究中，我们选择了七种与大脑功能密切相关的基因，这些基因在之前的实验中显示出显著的DNA甲基化变化，且它们在大脑中的表达水平较高。这些基因包括：GRIN2D、GABRB3、KCNC1、SLC12A9、CHD5、STXBP5和NFASC。这些基因主要参与兴奋性与抑制性神经信号传递、髓鞘形成、突触小泡调控、钾离子通道功能以及组蛋白修饰等过程（Jensen et al., 2023）。通过对这些基因的甲基化状态进行追踪，我们希望揭示其在青少年大脑发育中的潜在作用。

值得注意的是，在这些基因中，六个基因（SLC12A9、NFASC、GRIN2D、GABRB3、KCNC1和STXBP5）在时间推移过程中表现出DNA甲基化水平的下降，而CHD5则表现出甲基化水平的上升。这种变化可能与这些基因在神经发育中的功能有关。例如，GRIN2D和STXBP5在兴奋性神经信号传递中起关键作用，而GABRB3则与抑制性神经信号传递相关，其表达变化可能影响神经网络的平衡（Gagnon and Delpire, 2013; Wenzel et al., 1996; Zanini et al., 2016）。此外，NFASC与髓鞘形成密切相关，其甲基化水平的下降可能与髓鞘化增强相关（Klingseisen et al., 2019）。

### 白质成熟与FA变化的关系

为了进一步探索这些基因的甲基化变化与大脑白质成熟之间的关系，我们利用扩散磁共振成像（dMRI）对青少年大脑的FA值进行了测量。FA值反映了神经纤维的组织状态，其增加通常意味着白质的成熟和髓鞘化程度的提高。我们发现，FA值在青少年时期呈现出显著的增加趋势，尤其是在涉及跨半球连接的白质网络中。例如，在青春期开始时，FA值在感觉运动通路中逐渐上升，随后在前额叶皮层和前额叶-皮层下投射通路中继续增强，最终在皮层-边缘系统关联通路和早期成年期的皮层和基底神经节区域达到高峰（Bava et al., 2010; Simmonds et al., 2014; Peters et al., 2012）。

通过独立成分分析（ICA）技术，我们识别出了四个与FA变化相关的脑网络。其中，Comp4网络表现出最显著的FA变化，并且与总体认知能力的提升密切相关。该网络主要涉及胼胝体的体部和束部、顶叶和颞叶的白质通路，以及后丘脑辐射区。这些区域的FA值增加可能与神经元之间的连接效率提升有关，从而支持更复杂的认知功能。此外，Comp4网络还被发现与多个基因的DNA甲基化变化存在显著关联，尤其是GRIN2D、GABRB3、STXBP5和NFASC。

### DNA甲基化与认知能力的关联

我们进一步分析了DNA甲基化变化与认知能力之间的关系。通过对青少年的多次评估（约一年间隔），我们发现，DNA甲基化水平的下降与总体认知能力的提升之间存在显著的负相关。这一发现与之前的研究一致，表明DNA甲基化的变化可能在青少年认知发展中起着重要作用（Jensen et al., 2023）。此外，我们还发现，某些特定的DNA甲基化变化可能通过白质网络的成熟间接影响认知能力。例如，Comp4网络不仅与总体认知能力提升相关，还作为中介变量，连接了DNA甲基化水平的下降与认知能力的改善。

为了验证这一中介效应，我们进行了多级中介分析（multilevel mediation analysis）。结果表明，Comp4网络在四个基因（GRIN2D、GABRB3、STXBP5和NFASC）的DNA甲基化变化与总体认知能力提升之间起着中介作用。具体而言，这些基因的甲基化水平下降可能通过促进白质网络的成熟，从而间接改善认知功能。这一发现表明，DNA甲基化不仅是基因表达的调控因子，还可能通过影响白质结构，间接调控认知能力的发展。

### 白质成熟与认知改善的动态关系

除了整体的FA变化与认知能力的关联外，我们还分析了不同时间段内白质成熟速度与认知能力提升速度之间的关系。通过多变量协方差分析（MANCOVA），我们发现，白质网络中的某些区域（如Comp4）在不同时间点表现出显著的FA变化，并且这些变化与认知能力的提升速度存在相关性。例如，在deltaT1时间段（时间点1到时间点2），Comp4网络的FA增加与晶体化认知能力（COGCC）和流体认知能力（COGFC）的提升速度密切相关。而在deltaT2时间段（时间点2到时间点3），NFASC和SLC12A9的DNA甲基化变化与Comp2和Comp3网络的FA变化存在显著关联。

这些结果表明，白质成熟并不是一个静止的过程，而是与DNA甲基化变化紧密相关，并且可能受到青春期不同阶段的动态影响。因此，了解这些变化的节奏和时间点对于理解青少年认知发展的机制至关重要。

### 表观遗传调控的复杂性

尽管本研究揭示了DNA甲基化与白质成熟和认知能力提升之间的关系，但这一过程的复杂性仍然存在。DNA甲基化通常与基因表达水平呈负相关，即甲基化程度越高，基因表达水平越低，反之亦然。然而，这一规律并非在所有基因中都适用，因此，我们需要更全面地理解DNA甲基化如何影响不同基因的表达，以及这些变化如何在大脑中产生效应。

此外，本研究的一个局限性是未能直接测量青春期的阶段，即没有纳入与激素变化相关的指标。由于青春期的激素波动可能影响DNA甲基化和白质成熟的速度，未来的研究可以考虑加入这一变量，以更准确地刻画发育过程中的动态变化。另一个局限性是，本研究样本数量有限，且部分参与者在第三时间点流失，这可能影响结果的代表性。因此，未来的研究需要扩大样本量，并采用更长期的追踪设计，以提高研究的可靠性和普遍性。

### 研究的意义与未来方向

本研究为理解青少年大脑发育提供了新的视角。我们发现，DNA甲基化的变化可能通过影响白质的成熟过程，进而影响认知能力的提升。这一发现不仅加深了我们对表观遗传调控在神经发育中的作用的认识，还为未来的干预研究提供了潜在的靶点。例如，通过调节特定基因的甲基化水平，可能有助于改善青少年的认知功能。

此外，本研究还揭示了DNA甲基化与白质网络之间的复杂关系，这提示我们未来的研究可以进一步探讨这些基因在不同脑区中的功能差异，以及它们如何在不同的发育阶段发挥作用。同时，随着表观遗传学技术的进步，我们还可以利用更精细的DNA甲基化分析方法，如全基因组DNA甲基化测序（WGBS），来更全面地理解DNA甲基化变化的模式及其对神经发育的影响。

总之，本研究为青少年大脑发育与认知改善之间的表观遗传机制提供了初步证据，揭示了DNA甲基化变化如何通过影响白质成熟，进而促进认知能力的提升。这些发现不仅有助于我们理解大脑发育的生物学基础，还为未来的干预和治疗策略提供了理论支持。未来的研究可以进一步探讨这些基因的甲基化变化如何影响其在大脑中的表达，以及这些变化是否可以通过外部干预进行调控，从而改善青少年的认知发展。