摘要：在发育的所有阶段暴露于应激都会导致长期的行为影响，部分是通过表观基因组的变化。 这篇综述描述了啮齿动物的研究，表明出生前、出生后、青年和成年阶段的应激会导致大脑中表观遗传调控的长期变化，从而对啮齿动物的行为产生因果影响。我们关注应激诱导的表观遗传变化，这些变化与行为缺陷有关，包括学习和记忆能力差，以及焦虑和抑郁行为增加。有趣的是，这些应激诱导的行为变化的某些方面可以跨几代传给后代，这一现象被认为是通过种系中的表观遗传机制产生的。我们还讨论了应激对雄性和雌性表观基因组的不同影响的证据，因为大多数已发表的研究只调查了雄性。这导致对应激的表观遗传影响的了解有限，强调了未来研究调查雌性和雄性的必要性。

关键词：表观遗传  应激  啮齿动物  发育期  组蛋白修饰  DNA甲基化 miRNA

简介：在发育的所有阶段，有害或应激环境都可能产生长期和持久的影响，部分是通过表观基因组的变化，这对包括染色质组织、RNA转录和剪接在内的多种调节机制具有功能性影响。表观遗传调控是一个宽泛的术语，它指的是表观遗传标记动态变化的机制，以及非编码RNA的差异表达，组蛋白的部分替换为组蛋白变体H3.3和H2A.Z, 改变了染色质的高级结构。表观遗传标记是对 DNA 或组蛋白的可逆化学修饰，包括 DNA 甲基化和羟甲基化，以及组蛋白的翻译后修饰，如乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化、ADP-核糖基化、β-羟基丁酰化和巴豆酰化，可发生在50多个不同的位点。某些表观遗传标记主要与促进或抑制相关基因的表达有关。例如，启动子区域的DNA甲基化倾向于抑制基因转录，而DNA羟甲基化倾向于激活基因转录，同样是通过影响染色质紧密度。组蛋白乙酰化发生在赖氨酸残基处，通常起到松散染色质的作用接触 DNA 链，从而提高转录率。相反，组蛋白甲基化发生在赖氨酸和精氨酸残基上，可以促进或抑制基因转录，具体取决于特定残基以及是单甲基化、二甲基化还是三甲基化。基因转录的速率还可以通过非编码 RNA 来调节，这是一类 RNA，包括 microRNA (miRNA)、小干扰 RNA (siRNA)、Piwi 相互作用 RNA (piRNA) 和长链非编码 RNA (lncRNA)。这些非编码 RNA 可以通过调节异染色质形成、将组蛋白修饰和 DNA 甲基化靶向特定位点或通过调节 mRNA 降解从而介导转录后基因沉默来影响转录和转录后过程。尤其是非编码 RNA，已成为最近研究应激跨代效应机制的重点。应激反应涉及并影响与应激应对、情绪调节、认知功能、学习和记忆有关的各种大脑结构，包括前额叶皮质（PFC）、杏仁核、海马、下丘脑、丘脑和伏隔核。应激在每个发育阶段的影响部分取决于这些不同大脑区域在应激暴露时的成熟状态，这决定了神经发生、修剪、糖皮质激素和盐皮质激素受体表达等因素。因此，每个大脑区域都有不同的发育时间线，因此个体所经历的任何难堪都会在其成熟的不同阶段影响不同的大脑区域。在增加和加速发展的阶段，称为敏感期，大脑区域对包括应激暴露在内的环境影响更加敏感，并且更有可能表现出负面事件的长期影响。这些敏感期可能是由于在这些成熟阶段发生的高水平神经发生或修剪造成的。在小鼠中杏仁核、几个丘脑核以及皮质层V和VI在妊娠中期经历了神经发生的高峰。相比之下，海马、伏隔核和皮质层 II、III 和 IV 在妊娠晚期经历神经发生高峰，此时海马连合也形成。这可能表明，对于影响神经发生的应激操作，妊娠中期更有可能是杏仁核和丘脑脆弱性增加的时期，而妊娠晚期是海马体和伏隔核脆弱性增加的时期。虽然应激可以影响表观遗传机制是显而易见的，但尚不清楚在发育过程中是否有一个关键时期，特定的大脑区域更容易受到应激的表观遗传影响，以及这在雄性和雌性中是否相似。本综述旨在整理当前描述出生前和出生后发育、青年期和成年期慢性应激的长期神经表观遗传效应的文献，以强调因应激暴露而发生的差异表观遗传调控的可能模式。我们还将讨论表观遗传机制在神经精神疾病动物模型中的作用，这些疾病通常由应激诱发。本文将特别强调与应激的表观遗传影响相关的性别差异。

出生前应激对表观遗传调控的影响：出生前发育是大脑发育的关键时期，在此期间的受挫会对个体的一生产生重大影响。 出生前发育过程中的应激导致 PFC 中树突形态的重组和改变，并改变啮齿动物的海马和杏仁核可塑性。尤其是妊娠发育后期的应激表现出明显的不利影响，这可能是因为在妊娠早期，胎盘通过限制到达发育中胎儿的母鼠糖皮质激素的量来减少应激的负面影响。啮齿动物模型表明在行为水平上，与学习和记忆相关的长期认知缺陷已成为急性或慢性出生前应激的一致行为后果。一些证据表明，组蛋白乙酰化在出生前应激对记忆的负面影响中起着重要作用。在雄性和雌性小鼠中，妊娠前4周和整个妊娠期的慢性不可预测应激会导致后代空间记忆缺陷，并降低海马中的组蛋白3赖氨酸14（H3K14）乙酰化。已观察到出生前慢性不可预测应激影响的性别差异，除了海马中DNA甲基转移酶1（Dnmt1）水平的雌性特异性升高外，暴露于出生前应激的雌性小鼠表现出H3K14乙酰化的更大程度降低。在分子水平上观察到这种性别差异，但暴露于出生前应激的雄性和雌性在Morris水迷宫中都表现出类似的行为缺陷，因此很难在该测试中明确这些表观遗传标记与行为之间的相关性。然而，出生前应激会导致雄性和雌性在学习和记忆方面出现许多不同的行为。 出生前应激的雄性，但不是雌性，表现出物体识别记忆受损和提示恐惧消退受损。因此，雌性可能具有代偿性表观遗传机制，限制出生前应激对非空间形式记忆的影响。除了对记忆的影响外，出生前应激（以妊娠早期（胚胎1-7天）的慢性轻度应激的形式出现，而不是妊娠中期或晚期）会导致雄性（而非雌性）在悬尾试验和强迫游泳试验中增加抑郁样行为。受到早期出生前应激的雄性也表现出寻求奖励行为的改变，基础蔗糖摄入量减少，但在遭受应激后对蔗糖的暴饮暴食增加，下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴反应性增加。这与杏仁核中央核中编码促肾上腺皮质激素释放因子（Crf）的基因表达增加，海马CA3和DG分区中编码糖皮质激素受体Nr3c1的基因表达减少，下丘脑和杏仁核中Crf启动子的DNA甲基化减少，Nr3c1启动子的DNA甲基化增加有关。这种早期妊娠应激也被证明对后代有跨代影响。有人认为，在妊娠中后期反复的束缚应激会导致啮齿类动物在行为和表观遗传学水平上出现更广泛的精神分裂症样表型。包括多动症、社会交往减少、脉冲前抑制和恐惧条件反射缺陷、可通过服用组蛋白去乙酰化酶抑制剂丙戊酸钠或具有去甲基化活性的非典型抗精神病药物氯氮平逆转异常行为。行为改变与额叶皮层和海马中 Dnmt1 和 Dnmt3a mRNA 表达增加有关，尤其是GABA 能神经元Dnmt1 增加和 reelin 和谷氨酸脱羧酶 1 (Gad1) 蛋白表达减少。还观察到Reln和Gad1启动子的甲基化和羟甲基化增加，表观遗传调控和基因表达的许多变化已被提出为精神分裂症的机制。除了对精神分裂症样行为的影响外，妊娠中后期的反复约束应激还会增加瑞士白化ND4成年雄性小鼠的焦虑样行为和酒精摄入。这些行为发现与内侧PFC锥体神经元的脊柱密度降低30%，以及与突触形成相关的基因和蛋白质表达降低有关，包括活性调节细胞骨架相关蛋白（Arc）、嗜棘蛋白（Spn）和TrkB（TrkB）。还观察到 Arc 和 Spn 的启动子区域甲基化增加，以及编码 Bdnf 受体的基因 TrkB 上的 H3K14 乙酰化减少。应激引起的酒精消耗量增加与不同的表观遗传调控之间的关联不仅限于出生前期间的应激。

早期生活应激（ELS）对表观遗传调控的影响：早期生活应激（ELS）模式会导致持续的神经解剖学和行为影响，包括以性别依赖的方式表现出来的抑郁样和焦虑样行为。大鼠母鼠提供的母鼠护理的自然波动已被用来证明，低水平的母鼠舔毛和梳理导致Nr3c1水平较低，这与海马中相关基因启动子区域的甲基化增加和H3K9乙酰化水平降低以及糖皮质激素反馈敏感性降低有关。用Hdac抑制剂治疗低舔和梳理母鼠的大鼠后代，为表观遗传修饰在HPA轴反应性中的作用提供了因果证据。这改变了糖皮质激素受体启动子区和HPA轴反应的表观遗传学特征，使得低舔梳理后代与高舔梳理后代更相似。相反，用甲基供体（蛋氨酸输注）进行治疗可能会影响高舔舐修饰的后代，使其更接近低舔舐修饰的后代。虽然上述研究是基于母鼠护理的自然波动，但大多数ELS操作是基于最终改变实验幼崽在出生后发育期间所接受的母鼠护理的治疗。许多ELS模式都是母鼠分离模式，涉及幼崽与母鼠的分离，通常每天3小时。这导致母婴护理不一致，最终导致长期的焦虑样和抑郁样行为，这些行为与大脑和生殖细胞的表观遗传变化有关。虽然这些研究中有许多是纯粹相关的，但药物的使用加强了ELS诱导的异常行为与差异表观遗传调控之间的联系。例如，从PND1到PND10，母鼠每天3小时的分离会导致抑郁样行为增加，包括强迫游泳试验中的静止时间增加，旷场运动活动减少，此外，海马和伏隔核的Hdac和Dnmt活动增加。然而，抑郁样行为和海马中 Dnmt 活性的增加都可以通过服用抗精神病药物喹硫平来挽救。母鼠分离时期会影响 Bdnf 的表观遗传状态，该基因的表达与抑郁样行为有关。ELS 导致 Bdnf IV 启动子的 Mecp2 上调，Bdnf IV 启动子的 H3 和 H4 乙酰化降低，整体 Bdnf 表达和 Bdnf IV 表达降低，所有这些都可能导致 Bdnf 表达降低。除了对海马体的影响外，ELS 还导致成人杏仁核表观遗传调控发生广泛变化，包括 Dnmt3a 和 Mecp2 增加、Rest 减少以及 H3K9ac、H3K9me2、H3K9me3、H3K14ac、H3K4me2 和 H3K4me3 增加。

青年应激对表观遗传调控的影响：青年期是大脑发育的一个重要时期，因此，与成年人相比，青年被认为对应激暴露后的表观遗传和行为变化更敏感。例如，Lander等人比较了青年期中期和成年期社会隔离引起的应激效应，发现青年期应激的小鼠尤其受到影响。与对照组相比，青年期应激的小鼠表现出生理效应，包括体重增加减少，以及行为效应，例如社交和物体探索增加，以及水T型迷宫中的逆向学习和EDSS受损，但成年期应激的小鼠在这些措施中没有受到影响。青年期一天的社交失败足以引起社交回避，但成年期需要 10 天的社交失败才能产生相同的损伤，并且当对青年期小鼠进行应激时，效果更加持久。青年应激导致的长期行为缺陷与组蛋白乙酰化的变化有关。青年期的 CSDS 导致总 Bdnf 和异构体 IV 转录物的显著下调，以及靠近内侧 PFC 中 Bdnf IV 启动子的 H3K9me2 水平升高，而非 H3K9ac 或 H3K4ac。同样，青年期经历的足部电击应激（IFS）也会导致海马和PFC中H3K9me2和Bdnf的下调增加，而青年期每天暴露在捕食者气味中会增加PFC中单胺氧化酶A基因启动子处H3的乙酰化，而不是H4的乙酰化。这表明 H3 翻译后修饰在青年应激的长期影响中的重要作用，这一发现进一步得到了以下事实的支持：用反苯环丙胺进行抗抑郁治疗可以挽救异常的 Bdnf 表达、组蛋白 H3 甲基化以及在应激小鼠中观察到的慢性僵化。在青年时期，可能存在特定的发育窗口，这些窗口对于应激对大脑功能表观遗传调控的影响至关重要。在雄性和雌性小鼠中青年期隔离应激会导致精神分裂症样和抑郁样行为支持这一建议，包括受损的脉冲前抑制和强迫游泳测试表现，而雄性和雌性小鼠在遗传上都有神经精神病样障碍的风险。这些行为缺陷的基础是多巴胺水平显著下降，这与 HPA 轴反应性增加、酪氨酸羟化酶 (Th) 启动子 DNA 甲基化增加、 Bdnf 基因的内含子糖皮质激素反应元件 (GRE) 中的 DNA 甲基化增加和投射到额叶皮层的 VTA 神经元中 Fkbp5 的内含子 GRE 的甲基化减少有关。RU486 是一种糖皮质激素受体拮抗剂，在第 5-6 周内成功地使应激对行为、多巴胺水平以及 Th、Bdnf 和 Fkbp5 基因的表观遗传状态的影响正常化。这些研究结果表明，5 至 6 周龄代表一个发育阶段，此时与多巴胺能系统发育相关的表观遗传调控可能对糖皮质激素特别敏感。除了青年期的敏感期外，还有证据表明，性会影响青年期应激对大脑的影响。Rowson等人的一项研究专门研究了青年期慢性应激暴露后的性别差异。他们发现，长期处于青年期应激之下的雌性海马体 DNA 甲基化水平显着降低，而雄性则没有。总之，这些发现表明虽然青年期是一个对应激特别敏感的发育期，但几个因素，包括应激暴露的时间、性别和经历的应激源的组合，通过皮质类固醇功能、神经传递和表观遗传学的变化相互作用，对行为和认知产生独特的影响。与出生后应激的发现类似，有证据表明青年期应激具有性别特异性的跨代遗传。应激雌性和新生F1子代的促肾上腺皮质激素释放因子1型（Crf1）表达增加，但雄性和雌性新生F2子代的大脑中Crf1表达降低。皮质酮水平也是如此。

成人应激对表观遗传调控的影响：研究成年期慢性应激影响的研究结果强调差异组蛋白乙酰化是一种可能的机制。Li等人使用雄性SD大鼠的CUS抑郁模型，测量了两种组蛋白乙酰化调节因子Hdac5和Cbp的表达水平，以及H3K14、H3K23和H4K16的乙酰化水平，H4K16是一组已知对转录很重要的赖氨酸残基。CUS组H3K14ac、H3K23ac和H4K16ac的水平降低，这可能是由于前脑区域存在较高的Hdac5 mRNA和蛋白质，以及较低的Cbp mRNA和蛋白质。Viana Borges在一定程度上进一步证实了这些发现，报告显示暴露于CUS的成年雄性Wistar大鼠海马H3K9ac减少，并且CUS与隔离饲养相结合也显示Hdac5上调，尽管这种效应在成对饲养的动物中得到缓解。Hdac5在慢性应激的长期行为影响中发挥重要作用的因果证据也来自使用小鼠CSDS模型的实验。CSDS 导致抑郁样行为、社交回避和下调 Bdnf 转录物 III 和 IV，但长期服用丙咪嗪（一种三环类抗抑郁药）可以逆转这种下调，这可能是雄性小鼠组蛋白乙酰化增加的结果。慢性丙咪嗪治疗后观察到的乙酰化增加与Hdac5的下调有关，病毒介导的Hdac5过度表达阻止了丙咪嗪的治疗效果，进一步表明Hdac5在抑郁样行为、疾病恢复力和/或神经精神疾病易感性中起着重要作用，至少在雄性啮齿类动物中是如此。为了加强表观基因组和行为之间的相关性，研究在分析中纳入了与易感性和恢复力相关的自然发生的个体差异的概念。对CSD敏感或有抵抗力的雄性小鼠在表观基因组水平上受到不同影响，表明与该机制存在行为相关性。这种变化可能是由靠近其转录起始点的启动子区域的应激诱导的抑制性染色质状态（即H3乙酰化减少、H3K9me3增加、H3K27me3增加）介导的。用 Hdac 抑制剂 MS-275 进行长期治疗可以逆转暴露于 CSDS 的雄性小鼠的抑郁样行为和 Rac1 表达的变化，进一步将抑郁样行为和表观遗传调控的变化联系起来。

结论：与应激导致的行为变化相关的差异表观遗传调控在所有发育阶段都很明显，并进一步受到环境影响。例如，表型可以通过锻炼来挽救，在某些情况下，可以通过消除恐惧条件来防止应激的代际传递。每个时期的应激已被证明会引起长期的，有时是多代人的行为变化，包括抑郁和焦虑样行为，出生前应激有时也会诱发精神分裂症样表型；产生的确切行为表型在很大程度上取决于应激源的类型和持续时间，以及施加应激的发育时期。成年大鼠暴露于CUS后，前脑区域Hdac5 mRNA表达上调，群居可以降低成年大鼠Hdac5表达增加的现象。此外，在成年可恢复小鼠的PFC中观察到Hdac5下调，而年轻成年小鼠的慢性三环抗抑郁剂治疗与暴露于CSD的啮齿类动物的Hdac5下调有关。在通过母体分离和通过束缚应激暴露于ELS的雄性大鼠的海马中也发现Hdac5 mRNA上调。这表明Hdac5在应激反应和抑郁中都可能发挥重要作用。发现 Hdac5 是 miR-124 的靶点这一事实进一步支持了这一点，miR-124 本质上与应激诱导的抑郁和突触可塑性有关，从而提供了一种可能的机制，通过该机制在应激暴露后调节 Hdac5。尽管在不同的大脑区域但已发现在出生前或出生后发育以及成年期经历的应激会增加 Dnmt3a 的表达。这些机制在人脑中发挥类似作用的程度尚不清楚，但从抑郁症患者身上采集的外周血显示组蛋白去乙酰化酶的表达确实改变了，包括Hdac5增加。这些发现与来自动物模型的结果一致，可能在应激和抑郁症风险增加之间提供表观遗传联系。利用啮齿类动物进行的表观遗传学研究缺乏可用于具体操作表观遗传学标记的工具，这导致缺乏将不同发育时期应激的特定机制和行为结果联系起来的因果数据。虽然可以根据相关数据做出一些假设，但很难就表观遗传调控和后续行为的特定变化的直接影响得出确切的结论。似乎应激在每个发育点的影响都可以跨代传递给后代，一些证据表明生殖系中的表观遗传变化是传递的基础。有趣的是，有一些证据表明 ELS 对人类精子 miRNA 的影响，这表明啮齿动物和人类应激的表观遗传传递机制可能类似。

图 1. 雄性啮齿动物在出生前发育、出生后发育、青年期和成年期慢性应激暴露后发生的表观遗传变化总结，突出了发育时期的相似性。

原文出自：Epigenetic mechanisms impacted by chronic stress across the rodent lifespan - ScienceDirect