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研究背景
帕金森氏病(Parkinsons disease，PD)是最常见的神经系统退行性疾病之一。除典型的运动症状外，还伴发认知功能减退等非运动症状。目前的治疗方案主要以左旋多巴替代治疗为主，但在长期的药物治疗后，患者常出现运动并发症。研究发现PD发生认知功能减退、运动并发症等症状，可能受到众多微效的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)的影响。近来，影像遗传学(imaging genetics)已成为研究遗传变异作用机制的重要工具之一。本研究为探讨PD认知功能及运动并发症相关的风险基因SNP的遗传效应，拟采用影像遗传学分析方法，从多模态磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)数据提取影像中间表型，分别进行单SNP位点和多基因风险评分(polygenic risk scores，PRS)等分析，探索基因型-大脑表型-临床表型的关联情况，研究SNPs如何通过影响大脑功能和结构，从而影响PD患者临床表现，揭示与早期PD相关的遗传及影像学基础，为探讨PD相关的认知功能、运动并发症等临床症状的发生机制提供新的思路。
研究方法
本研究招募PD患者45例，健康对照(healthy control，HC)39例，采集人口学信息，对所有受试者进行认知功能量表评估，并据此分别计算五个认知域的评分。采集PD患者的临床资料，进行PD症状严重程度的量表评估。SNP分型采用时间飞行质谱技术进行。通过超高场7T磁共振仪，采集高分辨率的多模态MRI数据，包括静息态功能磁共振(resting state functional MRI，rsfMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)及结构像磁共振(structural MRI，sMRI)，分析并提取影像特征值，作为影像中间表型。随后，分别进行认知功能、运动并发症相关的SNPs与多模态MRI的影像遗传学分析。
实验一：帕金森氏病认知相关SNPs与影像中间表型的关联研究
筛选与PD认知功能相关的SNP位点。影像遗传分析时将年龄、性别、教育年限作为协变量。首先进行单SNP位点分析，探索其主效应及其与PD疾病状态的交互效应。其次，根据筛选的PD认知相关基因SNP位点计算PRS评分，并与影像中间表型进行相关性分析。针对影像统计分析结果中具有显著性的脑区，提取其影像特征的平均值，再与认知功能量表评分等进行相关性分析。
实验二：帕金森氏病运动并发症相关SNPs与影像中间表型的关联研究
将PD患者根据有无运动并发症进一步分成两组，筛选与PD运动并发症相关的SNP位点。影像遗传分析时将年龄、性别作为协变量。首先进行单SNP位点分析，探索基因型的主效应及其与PD疾病状态的交互效应。根据筛选的PD运动并发症相关的基因SNP位点计算PRS评分，并与影像中间表型进行相关性分析。针对影像统计分析结果中具有显著性的脑区，提取其影像特征的平均值，并与运动症状量表评分等进行相关性分析。
研究结果
实验一：帕金森氏病认知相关SNPs与影像中间表型的关联分析结果
首先对单个SNP位点的剂量效应进行研究。对年龄、性别、教育年限进行控制后，我们发现COMT-rs4680的A等位基因与额叶、舌回、梭状回、枕叶的ALFF值相关。其与PD疾病状态的交互作用则表现在颞中回、颞下回的灰质体积上，且在携带了A等位基因的PD患者中颞中回、颞下回的灰质体积与PANDA评分、视空间能力评分呈正相关。携带SNCA-rs356181的A等位基因时，壳核、颞极等的ALFF值较低，嗅皮质、壳核、尾状核、额叶等的ReHo值较高，且颞叶、梭状回等脑区的灰质体积也较高。同时，颞下回、梭状回的ALFF值还受到交互作用的影响。SNCA-rs894278位点能够改变额叶、角回、舌回、颞叶等的ALFF值。此外，该位点还与PD疾病状态存在交互作用，影响舌回、距状裂周围皮层等的fALFF值，前放射冠的FA值。未携带C等位基因PD被试的距状裂周围皮层fALFF值与视空间能力评分呈正相关，未携带C等位基因HC被试的前放射冠FA值与认知功能评分也呈正相关。类似结果也在SNCA-rs3910105的分析中被发现，该位点的独立作用及其与PD疾病状态的交互作用都可以改变额叶的脑功能活动。同时，交互作用还存在于胼胝体联合纤维处，且其FA值与认知功能评分呈正相关关系。此外，携带DRD3-rs6280的G等位基因时颞叶的ALFF值较低，而额叶、中央前回等的ReHo值较高，且额叶、海马、海马旁回、颞叶、尾状核、壳核等的灰质体积也较高。其中，额叶的ReHo值还受到交互作用的影响。
我们计算了未加权的PRS评分(PRSunweighted)和加权的PRS评分(PRSweighted)，整合了多个SNP的微效作用。我们在HC中发现PRSunweighted评分与为前额叶区域及前扣带回的ALFF值正相关，且这些脑区的ALFF值在PD组中与认知功能评分也呈现显著正相关。同时，HC组的PRSweighted评分与楔前叶的ALFF值呈负相关，且该值在PD组中与语言能力、视空间能力呈正相关。此外，PRSweighted评分与白质纤维束的FA值具有相关性，PD组的PRSweighted评分与上放射冠的FA值呈正相关，而HC组的评分与胼胝体、后放射冠的FA值负相关。
实验二：帕金森氏病运动并发症相关SNPs与影像中间表型的分析结果
进行单个SNP位点分析探索基因的剂量效应时，对年龄、性别进行控制，发现COMT-rs4680的A等位基因的主效应表现为携带A等位基因时辅助运动区的ALFF值较高，而小脑、梭状回等的ALFF值较低。该位点与PD疾病状态的交互作用则表现在小脑的ALFF值上。其中PD的A等位基因携带者的小脑ALFF值与MDS-UPDRS第II、III部分呈正相关。携带DRD3-rs6280的G等位基因时壳核、脑岛等的ALFF值较低，尾状核、脑岛、小脑等的灰质体积显著较高。而其与PD疾病状态的交互作用主要集中于辅助运动区的ReHo值，以及脑岛的灰质体积上。此外，PD的G等位基因携带者的脑岛灰质体积还与药物剂量呈正相关，但未携带G等位基因的PD患者中未见这种相关情况。另一个基因位点EIF4EBP2-rs1043098，携带其C等位基因时辅助运动区、中央前回等的fALFF值较高，而小脑的ReHo值较低。
PD患者的PRSunweighted和PRSweighted显著高于HC被试，但PD-MC组的PRS评分仅呈现高于无MC的PD组的趋势。MDS-UPDRS第IV部分评估PD患者运动并发症的严重程度，在全部患者中未发现与PRS评分显著相关，而在PD-MC患者中则为显著负相关。两个PRS评分模型得到了类似的结果，PD与HC被试的PRS评分都与小脑的ALFF值负相关。此外在HC被试中还发现，PRS评分分值越高，尾状核、壳核等基底节区核团的神经元活动越强。
结论
对若干PD认知相关的SNP位点进行剂量效应分析，发现这些位点不同程度影响到相关脑区的影像特征，包括额叶、颞叶、海马等在认知功能上起到关键作用的脑区。表明微效的SNP也可以通过影响脑功能结构，参与调节PD患者的认知功能的改变。同时，我们首次在PD的影像遗传学研究中引入PRS评分，综合考虑了多个SNPs位点对认知功能的累加效应，虽未发现PRS与认知评分的相关性，但这个评分的高低一定程度上影响了脑影像表型。同时，也发现了基因型-大脑表型-认知临床表型三者的关联情况在PD和HC中呈现不同的模式。
同时，我们还以PD的运动并发症为临床问题的研究方向，先行筛选了相关基因，并针对这些基因位点进行影像遗传学研究。单SNP位点分析发现，纳入的3个SNP位点在一定程度上通过调节运动皮层、基底节区及小脑的的神经活动强度，参与PD运动症状和运动并发症的发展。同时，我们也首次在PD影像遗传学研究中引入了运动并发症相关的PRS评分，发现PD组的PRS评分显著高于HC组，且PD-MC患者的PRS与运动并发症严重程度负相关。在此基础上进一步与影像表型进行相关分析，发现该评分也与基底节区、小脑等的神经元活动强度存在明显相关性。
本研究的创新性在于结合超高场7T多模态MRI影像、临床行为表征及关联基因，考察单个变异位点的剂量效应及多位点的累积效应，探索基因型-大脑表型-临床表型的关联情况，筛选早期PD相关的遗传及影像标志物，为个体化、精准化医学诊疗提供更多的信息。
帕金森氏病(Parkinsons disease，PD)是最常见的神经系统退行性疾病之一。除典型的运动症状外，还伴发认知功能减退等非运动症状。目前的治疗方案主要以左旋多巴替代治疗为主，但在长期的药物治疗后，患者常出现运动并发症。研究发现PD发生认知功能减退、运动并发症等症状，可能受到众多微效的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)的影响。近来，影像遗传学(imaging genetics)已成为研究遗传变异作用机制的重要工具之一。本研究为探讨PD认知功能及运动并发症相关的风险基因SNP的遗传效应，拟采用影像遗传学分析方法，从多模态磁共振(magnetic resonance imaging，MRI)数据提取影像中间表型，分别进行单SNP位点和多基因风险评分(polygenic risk scores，PRS)等分析，探索基因型-大脑表型-临床表型的关联情况，研究SNPs如何通过影响大脑功能和结构，从而影响PD患者临床表现，揭示与早期PD相关的遗传及影像学基础，为探讨PD相关的认知功能、运动并发症等临床症状的发生机制提供新的思路。
研究方法
本研究招募PD患者45例，健康对照(healthy control，HC)39例，采集人口学信息，对所有受试者进行认知功能量表评估，并据此分别计算五个认知域的评分。采集PD患者的临床资料，进行PD症状严重程度的量表评估。SNP分型采用时间飞行质谱技术进行。通过超高场7T磁共振仪，采集高分辨率的多模态MRI数据，包括静息态功能磁共振(resting state functional MRI，rsfMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)及结构像磁共振(structural MRI，sMRI)，分析并提取影像特征值，作为影像中间表型。随后，分别进行认知功能、运动并发症相关的SNPs与多模态MRI的影像遗传学分析。
实验一：帕金森氏病认知相关SNPs与影像中间表型的关联研究
筛选与PD认知功能相关的SNP位点。影像遗传分析时将年龄、性别、教育年限作为协变量。首先进行单SNP位点分析，探索其主效应及其与PD疾病状态的交互效应。其次，根据筛选的PD认知相关基因SNP位点计算PRS评分，并与影像中间表型进行相关性分析。针对影像统计分析结果中具有显著性的脑区，提取其影像特征的平均值，再与认知功能量表评分等进行相关性分析。
实验二：帕金森氏病运动并发症相关SNPs与影像中间表型的关联研究
将PD患者根据有无运动并发症进一步分成两组，筛选与PD运动并发症相关的SNP位点。影像遗传分析时将年龄、性别作为协变量。首先进行单SNP位点分析，探索基因型的主效应及其与PD疾病状态的交互效应。根据筛选的PD运动并发症相关的基因SNP位点计算PRS评分，并与影像中间表型进行相关性分析。针对影像统计分析结果中具有显著性的脑区，提取其影像特征的平均值，并与运动症状量表评分等进行相关性分析。
研究结果
实验一：帕金森氏病认知相关SNPs与影像中间表型的关联分析结果
首先对单个SNP位点的剂量效应进行研究。对年龄、性别、教育年限进行控制后，我们发现COMT-rs4680的A等位基因与额叶、舌回、梭状回、枕叶的ALFF值相关。其与PD疾病状态的交互作用则表现在颞中回、颞下回的灰质体积上，且在携带了A等位基因的PD患者中颞中回、颞下回的灰质体积与PANDA评分、视空间能力评分呈正相关。携带SNCA-rs356181的A等位基因时，壳核、颞极等的ALFF值较低，嗅皮质、壳核、尾状核、额叶等的ReHo值较高，且颞叶、梭状回等脑区的灰质体积也较高。同时，颞下回、梭状回的ALFF值还受到交互作用的影响。SNCA-rs894278位点能够改变额叶、角回、舌回、颞叶等的ALFF值。此外，该位点还与PD疾病状态存在交互作用，影响舌回、距状裂周围皮层等的fALFF值，前放射冠的FA值。未携带C等位基因PD被试的距状裂周围皮层fALFF值与视空间能力评分呈正相关，未携带C等位基因HC被试的前放射冠FA值与认知功能评分也呈正相关。类似结果也在SNCA-rs3910105的分析中被发现，该位点的独立作用及其与PD疾病状态的交互作用都可以改变额叶的脑功能活动。同时，交互作用还存在于胼胝体联合纤维处，且其FA值与认知功能评分呈正相关关系。此外，携带DRD3-rs6280的G等位基因时颞叶的ALFF值较低，而额叶、中央前回等的ReHo值较高，且额叶、海马、海马旁回、颞叶、尾状核、壳核等的灰质体积也较高。其中，额叶的ReHo值还受到交互作用的影响。
我们计算了未加权的PRS评分(PRSunweighted)和加权的PRS评分(PRSweighted)，整合了多个SNP的微效作用。我们在HC中发现PRSunweighted评分与为前额叶区域及前扣带回的ALFF值正相关，且这些脑区的ALFF值在PD组中与认知功能评分也呈现显著正相关。同时，HC组的PRSweighted评分与楔前叶的ALFF值呈负相关，且该值在PD组中与语言能力、视空间能力呈正相关。此外，PRSweighted评分与白质纤维束的FA值具有相关性，PD组的PRSweighted评分与上放射冠的FA值呈正相关，而HC组的评分与胼胝体、后放射冠的FA值负相关。
实验二：帕金森氏病运动并发症相关SNPs与影像中间表型的分析结果
进行单个SNP位点分析探索基因的剂量效应时，对年龄、性别进行控制，发现COMT-rs4680的A等位基因的主效应表现为携带A等位基因时辅助运动区的ALFF值较高，而小脑、梭状回等的ALFF值较低。该位点与PD疾病状态的交互作用则表现在小脑的ALFF值上。其中PD的A等位基因携带者的小脑ALFF值与MDS-UPDRS第II、III部分呈正相关。携带DRD3-rs6280的G等位基因时壳核、脑岛等的ALFF值较低，尾状核、脑岛、小脑等的灰质体积显著较高。而其与PD疾病状态的交互作用主要集中于辅助运动区的ReHo值，以及脑岛的灰质体积上。此外，PD的G等位基因携带者的脑岛灰质体积还与药物剂量呈正相关，但未携带G等位基因的PD患者中未见这种相关情况。另一个基因位点EIF4EBP2-rs1043098，携带其C等位基因时辅助运动区、中央前回等的fALFF值较高，而小脑的ReHo值较低。
PD患者的PRSunweighted和PRSweighted显著高于HC被试，但PD-MC组的PRS评分仅呈现高于无MC的PD组的趋势。MDS-UPDRS第IV部分评估PD患者运动并发症的严重程度，在全部患者中未发现与PRS评分显著相关，而在PD-MC患者中则为显著负相关。两个PRS评分模型得到了类似的结果，PD与HC被试的PRS评分都与小脑的ALFF值负相关。此外在HC被试中还发现，PRS评分分值越高，尾状核、壳核等基底节区核团的神经元活动越强。
结论
对若干PD认知相关的SNP位点进行剂量效应分析，发现这些位点不同程度影响到相关脑区的影像特征，包括额叶、颞叶、海马等在认知功能上起到关键作用的脑区。表明微效的SNP也可以通过影响脑功能结构，参与调节PD患者的认知功能的改变。同时，我们首次在PD的影像遗传学研究中引入PRS评分，综合考虑了多个SNPs位点对认知功能的累加效应，虽未发现PRS与认知评分的相关性，但这个评分的高低一定程度上影响了脑影像表型。同时，也发现了基因型-大脑表型-认知临床表型三者的关联情况在PD和HC中呈现不同的模式。
同时，我们还以PD的运动并发症为临床问题的研究方向，先行筛选了相关基因，并针对这些基因位点进行影像遗传学研究。单SNP位点分析发现，纳入的3个SNP位点在一定程度上通过调节运动皮层、基底节区及小脑的的神经活动强度，参与PD运动症状和运动并发症的发展。同时，我们也首次在PD影像遗传学研究中引入了运动并发症相关的PRS评分，发现PD组的PRS评分显著高于HC组，且PD-MC患者的PRS与运动并发症严重程度负相关。在此基础上进一步与影像表型进行相关分析，发现该评分也与基底节区、小脑等的神经元活动强度存在明显相关性。
本研究的创新性在于结合超高场7T多模态MRI影像、临床行为表征及关联基因，考察单个变异位点的剂量效应及多位点的累积效应，探索基因型-大脑表型-临床表型的关联情况，筛选早期PD相关的遗传及影像标志物，为个体化、精准化医学诊疗提供更多的信息。