孕期吸烟对胎儿大脑的影响

文章来源：【公众号】自闭症医学进展；ID号：woniubbhealth

这篇《Developmental effects of maternal smoking during pregnancy on the human frontal cortex transcriptome》的研究是约翰霍普金斯大学的AndrewE.Jaffe团队，于2020年发表于MolecularPsychiatry杂志上。

研究背景

目前，吸烟和尼古丁成瘾是主要的公共卫生问题，因为它们与成人癌症、呼吸道疾病和许多其他疾病风险增加显著相关。吸烟对胎儿的发育具有不良影响，与胎儿宫内生长受限、低出生体重、死胎和死亡率风险增加存在关联。尽管吸烟可能会影响胎儿的健康，但美国仍有8.4%的孕妇在怀孕时持续吸烟。

越来越多的证据表明，在孕期暴露于尼古丁和其它香烟中的成分与随后发展为神经精神疾病风险提高显著相关。母亲孕期吸烟是后代神经精神疾病的风险因素，包括精神分裂症、注意力缺陷多动障碍、认知受损、强迫症和孤独症。

虽然母体孕期吸烟对后代精神健康有潜在的影响，但吸烟对人大脑发育的生物学影响仍知之甚少。母亲孕期吸烟导致神经精神疾病的可能分子机制仍然难以捉摸。早前的研究已经在脐带血中发现表观遗传的变化或在胎盘组织中观察到基因的差异表达。只有一个研究已经直接检测了母亲孕期吸烟与产前胎儿大脑表观遗传变化的关联,但从未对吸烟对产前大脑转录组的变化进行研究。因此研究者开展了此研究，希望能挖掘出与疾病风险相关的潜在机制。

研究方法

研究者首先分析了暴露于吸烟环境和未暴露于吸烟环境胎儿的背外侧前额叶皮层样本的RNA-seq测序数据，以确定胎儿暴露于吸烟环境后受到影响的基因。

随后为了评估这些基因的发育特异性，研究者对成年吸烟者与非吸烟者之间的皮层基因表达做了相同地分析。

最后，为了探索不同年龄阶段对吸烟暴露的潜在影响，研究者开展了交互分析，并对这些基因开展了功能富集分析和基因集富集分析。

研究结果

1.研究者对胎儿研究的RNA-seq数据进行差异表达分析

该数据包含暴露于吸烟环境和未暴露于吸烟环境胎儿的背外侧前额叶皮层样本测序结果。在对结果进行校正后，发现有14个基因存在差异表达，其中KCNN2、GABRA4和NRCAM基因与尼古丁依赖或更广泛的成瘾相关，而CNTN4、EPHA8和PCDH10基因在神经系统发育过程中发挥重要作用，其可能与神经精神疾病有关。

2.研究者还对吸烟或不吸烟成年人大脑的RNA-seq数据进行差异表达分析

发现有两个基因在两组中存在显著差异，其中MARCO作为一种免疫基因在吸烟群体中的表达显著低于不吸烟群体。此外，研究者还对吸烟或不吸烟精神分裂症患者大脑的RNA-seq数据进行差异表达分析，发现吸烟的精神分裂症患者中MARCO基因也显著低于不吸烟的患者。为了评估结果的稳定性，研究者还依据可铁宁水平（尼古丁的主要代谢物）将健康成年人分为三个组：不吸烟组，轻度吸烟组和重度吸烟组，对他们的RNA-seq数据进行差异表达分析也发现随着吸烟情况的加重，MARCO基因的表达水平显著降低，如下图所示。该结果表明香烟烟雾暴露对成年人前额叶皮层转录组的影响小于对发育中大脑的影响。

3.在观察到成人和产前队列中与吸烟暴露相关的差异表达基因没有重叠后，研究者开展了交互分析

以探索不同年龄阶段对吸烟暴露的潜在影响，结果显示有5293个差异表达类型（基因、外显子、外显子剪切连接和表达区域）对应于1315个基因，他们在不同年龄阶段和吸烟暴露情况存在相互作用。对这四种差异表达形式取交集发现有87个基因在所有表达类型中存在显著的相互作用，有315个基因仅在外显子水平存在显著的相互作用，说明转录组水平分析可能要优于基因水平，可通过转录组分析挖掘转录组的变化，如下图所示。

4.为了探索1315个基因的潜在功能影响，对他们的四种表达类型开展了功能富集分析

发现最显著富集的KEGG通路为尼古丁成瘾、倒退内酰胺信号传导和神经活性配体-受体相互作用；最显著富集的生物学进程涉及行为、神经系统发育的正向调节和突触组成。研究者还利用疾病本体富集分析探寻与差异表达基因相关的疾病，发现富集最多的疾病本体是孤独症谱系障碍。

5.随后，研究者利用早前公开的孤独症谱系障碍基因数据库和神经发育基因集开展富集分析

以更好地确定孤独症谱系障碍基因集的敏感度和特异性。结果表明产前失调的基因显著富集于SFARI数据库中，与年龄存在交互作用的基因显著富集于SFARI数据库、AutDb数据库和提取的非综合孤独症谱系障碍基因数据集，说明受香烟烟雾暴露影响的基因富集在自闭症谱系障碍和其他神经精神障碍基因集。

6.为了更充分地探究这些基因在孤独症谱系障碍中的作用，研究者下载了孤独症谱系障碍患者人脑组织的转录组数据并开展了基因集的富集分析

发现在产前存在差异表达的基因和与年龄存在交互作用的基因在额叶皮质和颞叶皮质中排名更靠前，而在小脑中没有得到验证。研究结果表明，受孕期母体吸烟影响的大脑皮质发育相关基因的变化可能与孤独症谱系障碍的皮质病理学相关。

研究结论

本研究对暴露或未暴露于吸烟环境的胎儿大脑样本开展转录组分析，以探寻与胎儿暴露于吸烟环境相关的差异表达基因。而且暴露于吸烟环境对发育中大脑的影响更大，这可能是因为胎儿发育早期暴露于不良环境会使神经发育中断。

同样地，母亲孕期吸烟可能会破坏神经发育的相关通路，进而导致子代患神经精神疾病的风险增加，特别是自闭症谱系障碍。该研究的结果为吸烟对胎儿大脑皮质发育的影响提供了新的分子线索。

参考文献：Semick SA, Collado-Torres L, Markunas CA, Shin JH, Deep-Soboslay A, Tao R, Huestis MA, Bierut LJ, Maher BS, Johnson EO, Hyde TM, Weinberger DR, Hancock DB, Kleinman JE, Jaffe AE. Developmental effects of maternal smoking during pregnancy on the human frontal cortex transcriptome. Mol Psychiatry. 2020 Dec;25(12):3267-3277.