Schizophrenia is a major psychiatric disorder characterized by abnormal social behaviour and failure of recognition. A lot of studies are proposed, but underline mechanisms are not revealed yet. In previous studies, schizophrenia is a complex disease caused by multiple genetic and environmental factors. Genetic studies have yielded numerous candidate genes and genetic variations such as DNA, gene expression, viruses, toxins, nutrition, or birth injury. However, most candidates have not been well replicated or validated.
Recently, next-generation sequencing technique and retrotransposon related studies reported that retrotransposon activation may contribute to gene expression regulations. In this study, using next-generation sequence analysis, we propose methods that identify robust biomarkers for schizophrenia and reveal the relationship of gene expressions and retrotransposon expressions. Retrotransposons constitute 40% of the human genome. These genetic elements can amplify themselves in a genome through copy and paste mechanism. Usually, retrotransposons are inactivated by hypermethylation, but they are activated in the human brain. Especially, retrotransposons are more activated in schizophrenia patient’s brain than normal.
Therefore, the objectives of this study are identifying robust schizophrenia biomarkers and revealing underline mechanism of gene-repeat regulations. We identified immune/inflammation response are significantly related with schizophrenia using gene co-expression network analysis. We validated the results with qRT-PCR and pathological data and we found that the cell-types showed activated immune/inflammation response. Moreover, over expressed retrotransposon RNAs contribute to down-regulations of gene expression if the strand directions of retrotransposon and gene are same. We identified a co-expression module associated with schizophrenia that includes the majority of differentially expressed genes related to immune/inflammation response as well as with the density of parvalbumin-containing neurons in the hippocampus. Moreover, we found that over expressed intronic repeats down-regulate the gene expressions in schizophrenia. The results indicate that abnormal immune/inflammation response in the hippocampus may underlie the pathophysiology of schizophrenia and may be associated with abnormalities in the parvalbumin-containing neurons that lead to the cognitive deficits of the disease.
조현병은 우울증과 조울증과 함께 주요 정신 질환의 하나로 인지 능력에 문제가 생기거나 부적합한 행동으로 사회 활동에 어려움을 격는 질환이다. 조현병의 원인 분석과 치료를 위해 많은 연구가 활발하게 이루어지고 있지만 아직까지 조현병의 직접적인 원인을 밝혀내지 못하고 있다.
기존의 많은 연구 결과에 의하면 조현병은 많은 유적적 요인과 환경적 요인이 함께 작용하여 발생하는 대표적인 복합질병이다. 조현병과 관련성이 높은 요인으로 유전자의 변이, 유전자 발현의 변화, 바이러스의 감염, 독성물질에 의한 중독, 영양 불균형, 물리적 상처 등이 보고 되고 있지만 많은 경우에 재현성이 낮아 유의미한 마커 발굴에 어려움을 겪고 있다. 이런 가운데 최근 차세대 염기서열 분석과 레트로트렌스포존의 연구에 따르면 조현병에서 레트로트렌스포존의 발현이 유전자의 발현에 영향을 줄 수 있다는 보고가 있다. 따라서 본 연구는 차세대 염기서을 분석을 통해서 재현성이 높은 유전자 마커를 발굴하고 레트로트렌스포존의 발현과 유전자 발현의 관계를 밝힘으로써 조현병을 복합적으로 분석하려고 한다.
레트로트렌스포존은 인간 전체 유전체의 40%를 넘게 차지하고 있으면서 그 기능이 아직 정확히 밝혀지지 않아 쓰레기 DNA라고도 불린다. 레트로트렌스포존은 활성화 되었을 때 스스로를 복사하여 다른 DNA 영역에 삽입할 수 있다. 임의의 위치에 삽입 되었을 경우 DNA에 손상을 주게 됨으로 일반적인 경우 비활성화 되어 복사-삽입이 이루어지지 않는다. 하지만 최신 연구에 따르면 인간의 뇌조직에서는 수많은 레트로트렌스포존이 활성화 되어 있다는 보고가 있고 특히 조현병 환자에서 정상인 보다 높은 활성도를 보이는 것이 보고 되고 있다.
따라서 본 연구에서는 재현성이 높은 조현병 마커 유전자를 발굴하고 레트로트렌스포존의 발현이 해당 유전자에 어떤 영향을 미치는지 밝히려고 한다. 기존의 DEG기반의 유전자 마커 발굴법은 환자군의 다양성과 여러가지 교란 인자에 의해 재현성이 낮다. 본 연구에서는 공발현 네트워크 분석을 적용하여 교란변수에 의한 오류를 제거하고 조현병과 유의미한 관련성을 보이는 생물학적 프로세스를 발굴 하려고 한다.
공발현 네트워크 분석을 통하여 면역/염증 반응과 관련된 유전자들이 유의하게 조현병과 관련이 있다는 밝혔고, 기존의 병리생리학적 데이터와 qRT-PC를 통하여 실험적으로 검증 하였다. 그리고 면역/염증 반응이 일어나는 조직적 위치를 찾기 위하여 immunohistochemistry를 수행하였다. 기존의 예상과는 달리 면역/염증 반응이 일어나는 세포는 microglia가 아니라 BBB와 혈관 주위라는 것을 새롭게 밝혔다. 또한 조현병 환자에서 레트로트렌스포존이 intron영역에서 과발현 할 경우 해당 유전자의 발현을 억제하는 현상이 레트로트렌스포존과 유전자의 strand 방향 일치 여부에 따라 조건부로 나타남을 보였다.
결과적으로 본 연구는 공발현 네트워크 분석을 통하여 면역/염증 반응이 조현병 환자의 뇌조직에서 활발히 일어남을 밝혔고, 조현병 환자의 과발현 된 레트로트렌스포존이 해당 유전자의 발현을 억제하는 현상을 밝혔다. 이는 조현병 환자의 mRNA의 변화 레트로트렌스포존 RNA의 변화를 통해서 조현병의 마커가 될 수 있는 유전자를 새롭게 발굴 할 수 있음을 제시 하였다.
