QIAGEN Ingenuity Pathway Analysis (IPA) 的知識庫源自專業團隊長期整理與註解，整合了大量學術文獻、臨床研究，以及其他資料庫的資訊。研究者可以透過經典路徑富集分析，快速定位與疾病或表型相關的關鍵生物路徑；同時藉由因果上游調控分析，精準預測驅動這些路徑與功能變化的主導因子。此雙重分析策略，不僅能釐清複雜的病理機制，也能揭示潛在的治療靶點，為基礎研究與臨床應用帶來深度洞察。

 

重點條列

思覺失調症早期可能源於麩胺酸與GABA活化/抑制失衡

透過IPA分析不同資料集（以類胎兒神經元為疾病模型）的上游關鍵調控因子(Master Regulator)，結果顯示麩胺酸與GABA為主要調控因子，提示疾病早期可能涉及這兩者的功能失衡。

ADCYAP1的缺失改善為疾病早期重點治療或干預方向

IPA分析顯示，不同資料集上游關鍵調控因子所調控的路徑中，跨資料集共同的關鍵調控基因 ADCYAP1 (PACAP路徑)，可能是早期治療/預防的核心標靶。

簡介

傳統上認為思覺失調症的發病主要源於多巴胺功能失調，但越來越多證據顯示，麩氨酸能（glutamatergic）、GABA能（GABAergic）與血清素能（serotonergic）訊號傳導異常，以及發炎反應與氧化壓力，也可能在其病理機制中扮演關鍵角色。雖然大型基因體關聯研究（GWAS）已發現數百個與疾病相關的基因位點，但仍未能釐清這些基因如何影響分子途徑並導致疾病。本研究透過IPA分析兩個以人類誘導多能幹細胞（hiPSC）衍生神經元為模型的獨立的思覺失調症研究，目標包括：

• 探索潛在的新療法標的
• 驗證分子途徑發現的一致性與可重現性

研究方法

IPA路徑分析

本研究共納入37名受試者，涵蓋三個hiPSC衍生神經元資料集，其中兩個來自既有研究，另一組則為本研究新增：

1. Hoffman et al., 2017（美國資料集）

• 樣本：11位思覺失調症患者與11位健康不相關對照
• 細胞處理：hiPSC衍生神經元培養6週
  篩選p < 0.05與表現量變化>2倍為顯著DEGs，結果共有108個DEGs。

2. Tiihonen et al., 2019（芬蘭資料集）

• 樣本：5對同卵雙胞胎（一位罹患思覺失調症，另一位未患病）+其他芬蘭患者與健康對照
• 細胞處理：hiPSC衍生神經元培養10週
  篩選p < 0.05與表現量變化>2倍為顯著DEGs，本研究兩組對照結果： 

1. 患病雙胞胎vs.非患病雙胞胎：232個DEGs
2. 未患病雙胞胎vs.非親屬健康對照：356個DEGs

3. 本研究新增比較（延伸自Tiihonen et al.雙胞胎研究）

• 樣本：芬蘭資料集中的5對患病與非患病同卵雙胞胎
• 細胞處理：將神經前驅細胞分化，並進一步在培養中成熟12週
  篩選p < 0.05與表現量變化>2倍為顯著DEGs，結果共69個DEGs。

透過IPA的經典路徑（canonical pathway）與因果路徑（causal pathway）分析，比較思覺失調症患者與健康對照之差異表達基因（DEGs），藉此鑑別參與疾病的分子路徑與上游關鍵調控因子（master regulators），並進一步整合各資料集結果，以探討不同人群間發病機制的異同。

藥物流行病學分析

利用芬蘭全國性思覺失調症患者，採用自體對照設計 (self-controlled study design)，比較在使用血管張力素II受體拮抗劑與未使用期間，因精神病復發而住院的風險。同時，以噻嗪類利尿劑（一種高血壓藥物）作為對照，來評估整體治療依從性對住院風險的影響。

結果

經典路徑富集分析結果

芬蘭資料集（患病雙胞胎vs.健康個體）
最顯著富集的路徑為：

• 麩胺酸受體訊號傳導（glutamate receptor signaling）（圖一a；表一a）
  主要參與路徑的重要基因包括GRIK2、GRIN2、GRM1、SLC17A6、SLC17A7。其表現量變化與突觸後神經毒性增加、突觸可塑性增強、興奮性電位上升以及受體增加有關。
• 白色脂肪組織褐化（white adipose tissue browning）（表一a）

本研究新增資料集（患病vs.未患病雙胞胎）
最顯著富集的路徑為：

• 肝纖維化/肝星狀細胞活化（Hepatic fibrosis / hepatic stellate cell activation）
• 醣蛋白6訊號傳導（Glycoprotein 6 (GP6) signaling）（圖一b；表一b）

美國資料集（患病個體vs.健康個體）
最顯著富集的路徑為：

• 肝纖維化/肝星狀細胞活化（Hepatic fibrosis / hepatic stellate cell activation）（表一c）
• 醣蛋白6訊號傳導（Glycoprotein 6 (GP6) signaling）（圖一c；表一c）
  其中參與路徑的基因有多數與芬蘭資料集的重疊。

圖一、IPA經典路徑及其包含的差異表達基因，以紫色邊框標示。紅色或綠色表示該基因或路徑的成員在患者相比於健康個體中分別上調或下調。(a) 芬蘭資料集（患病雙胞胎vs.非親屬健康對照）的麩胺酸受體訊號路徑；(b) 本研究資料集（患病vs.未患病雙胞胎）的GP6訊號通路；(c) 美國資料集（患者vs.健康個體）中的GP6訊號通路。

表一a

芬蘭資料集（患病雙胞胎vs.非親屬健康對照）中前10名顯著富集經典路徑。

IPA經典路徑	p值	Z-score	分子
麩胺酸受體訊號傳導	1.3E-04		GRIK2, GRIN2B, GRM1, SLC17A6, SLC17A7
白色脂肪組織褐化	1.3E-04	-1.1	CACNA2D1, CACNG5, FNDC5, NPPA, PPARGC1A, PRDM16, PRKG2
西地那非（威而鋼）的細胞作用	1.4E-04		CACNG5, GPR37, KCNQ3, NPPA, PDE1A, PRKG2, SLC4A10
硫酸皮膚素生物合成	1.5E-04	-1.3	B3GAT1, DSEL, HS3ST1, NDST3, NDST4
硫酸皮膚素生物合成（晚期階段）	6.5E-04	-1	DSEL, HS3ST1, NDST3, NDST4
甲狀腺癌訊號傳導	9.6E-04		CDH1, CXCL12, NTRK1, TCF7L2
胚胎幹細胞中的轉錄調控網絡	1.2E-03		EOMES, GBX2, SIX3, ZFHX3
硫酸軟骨素生物合成	1.4E-03	-2	B3GAT1, HS3ST1, NDST3, NDST4
背角神經元中的神經病理性疼痛訊號傳導	1.8E-03	-0.4	GPR37, GRIN2B, GRM1, KCNQ3, TAC1
硫酸乙醯肝素生物合成	4.6E-03	-2	B3GAT1, HS3ST1, NDST3, NDST4

若路徑的基因少於4個，或缺乏足夠的基因效應資訊以估算整體效應大小，則無法計算其z-score。

表一b

本研究資料集（患病雙胞胎vs.非患病雙胞胎）中前10名顯著富集的經典路徑。

IPA經典路徑	p值	Z-score	分子
肝纖維化/肝星狀細胞活化	7.9E-20		CCN2, COL12A1, COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1, COL4A1, COL4A2, COL5A1, COL5A2, COL6A3, FN1, IGFBP3, IL1R1, MYH7, TGFBR2
GP6訊號傳導路徑	1.3E-12	-3.2	COL12A1, COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1, COL4A1, COL4A2, COL5A1, COL5A2, COL6A3
脂肪素肝臟訊號路徑	8.1E-07	-2	COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1
肝纖維化訊號路徑	8.7E-07	-3	CCN2, COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1, IL1R1, MYLK, TGFBR2, WNT8B
內源性凝血酶原活化路徑	5.9E-06	-2	COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1
骨關節炎路徑	3.2E-04	-2	DCN, FN1, IL1R1, TGFBR2, WNT8B
動脈粥狀硬化訊號傳導	4.5E-04		COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1
樹突細胞成熟	1.8E-03	-2	COL18A1, COL1A1, COL1A2, COL3A1
成骨細胞、破骨細胞與軟骨細胞在類風濕性關節炎中的作用	3.5E-03		COL1A1, DKK2, IL1R1, WNT8B
由TSP1介導的血管生成抑制	4.2E-03		TGFBR2, THBS1

表一c

美國資料集（患病個體vs.健康對照）中前10名顯著富集的經典路徑。

IPA經典路徑	p值	Z-score	分子
GP6訊號傳導路徑	3.0E-06	-0.8	COL12A1, COL19A1, COL21A1, COL22A1, LAMA2, PRKD1
肝纖維化/肝星狀細胞活化	3.8E-05		COL12A1, COL19A1, COL21A1, COL22A1, LHX2, MYH14
胚胎幹細胞中的轉錄調控網路	1.4E-02		NEUROG1, OTX1
視黃醇介導的細胞凋亡訊號傳導	1.7E-02		CFLAR, RXRG
心臟肥大訊號傳導（增強）	2.3E-02	1	ADRA1A, CACNA1A, FZD8, MPPED2, PRKD1
整合素連接性激酶（ILK）訊號傳導	2.6E-02		DSP, FLNC, MYH14
超氧自由基降解	2.6E-02		CAT
B淋巴球中的FcγRIIB訊號傳導	2.6E-02		CACNA1A, INPP5D
維生素D/類視黃醇受體協同活化	2.8E-02		PRKD1, RXRG
介白素-3（IL-3）訊號傳導	2.9E-02		INPP5D, PRKD1

因果路徑分析結果

在芬蘭與美國兩個資料集的因果路徑分析中，顯著的上游關鍵調控因子調控到多數已知與思覺失調症相關的基因。其中，ADCYAP1、ADAMTS與CACNA皆出現在兩個資料集前兩名顯著的上游調控因子的調控路徑中（圖二；表二）。

芬蘭資料集（患病雙胞胎vs.健康個體）
最顯著上游關鍵調控因子（表二）為：

• P2RY11
• Losartan (氯沙坦)（降血壓藥物，血管張力素II受體拮抗劑）
  這兩個因子的調控路徑涵蓋多個麩胺酸受體與轉運蛋白基因（圖二），並特別涉及多巴胺相關的基因（DRD2、COMT）。

美國資料集（患病個體vs.健康個體）
最顯著上游關鍵調控因子（表二）為：

• Cpla2
• α-腎上腺素受體
• 蝦紅素（Astaxanthin）：其中含CACNA1A基因
  這些調控路徑中特別涉及GABA相關基因GABRA2（圖二）。

此外，膠原基因（collagen gene）出現在兩個資料集的多條路徑中（表二），顯示思覺失調症可能涉及細胞黏附與細胞外基質的異常。

圖二、芬蘭與美國資料集中差異表達基因的網路。箭頭表示思覺失調症患者相對健康對照的基因上調（↑）或下調（↓）。例如，患者中2PY嘌呤受體11與α-腎上腺素受體表達升高，而類氯沙坦（losartan-type）活性降低，與下游基因表達異常相關。文氏圖顯示芬蘭（藍色）與美國（紅色）資料集中與思覺失調症相關的差異基因重疊情況，共同基因以紫色標示。

表二

芬蘭與美國資料集中（患者vs.健康對照）前10名顯著的上游關鍵調控因子及其調控基因。

芬蘭資料集（Tiihonen et al., 2019）

上游關鍵調控因子	重疊之p值	經網路偏差校正的p值	調控之分子
P2RY11	3.9E−10	0.0001	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, GRIK2, GRIN2B, NEUROD1, NEUROD6, SHISA6, SLC17A6, SLC17A7
Losartan (氯沙坦)	8.6E−10	0.0001	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, GRIK2, GRIN2B, NEUROD1, NEUROD6, SLC17A6
TAF4	9.8E−10	0.0001	ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, DRD2, GRIK2, NEUROD1, NEUROD6, SHISA6, SLC17A6
PRKD2	1.6E−09	0.0001	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, GRIK2, NEUROD1, NEUROD6, SLC17A6
AKT1S1	1.7E−09	0.0001	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, NEUROD6, SLC17A6, SLC17A7
CABIN1	2.8E−09	0.0001	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, DRD2, GRIK2, GRIN2B, NEUROD6, SLC17A6
CaMK I	7.2E−09	0.0002	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, DRD2, GRIK2, GRIN2B, NEUROD1, NEUROD6, SLC17A6
視黃酸-RAR-RXR	1.1E−08	0.0001	ADAMTS9, CACNA2D1, COMT, DRD2, GRIK2, NEUROD1, NEUROD6, SHISA6, SLC17A6
GEM	1.2E−08	0.0001	CACNA2D1, GRIK2, NEUROD1, NEUROD6, SLC17A6
RP 73401	1.5E−08	0.0004	ADAMTS9, ADCYAP1, CACNA2D1, COMT, GRIK2, GRIN2B, NEUROD6, SLC17A6

美國資料集（Hoffman et al., 2017）

上游關鍵調控因子	重疊之p值	經網路偏差校正的p值	調控之分子
Cpla2	2.9E−08	0.0003	ADAMTS2, GABRA2
α-腎上腺素受體	5.7E−08	0.0004	ADAMTS2, ADCYAP1, CACNA1A
GCKR	8.8E−08	0.0003	ADAMTS2, ADCYAP1, CACNA1A
木香烴內酯	4.1E−07	0.0017	ADAMTS2, ADCYAP1, CACNA1A, GABRA2
ICL1-9	6.7E−07	0.0011	ADAMTS2, ADCYAP1, CACNA1A
Fcgr3	8.9E−07	0.0013	ADAMTS2, ADCYAP1, CACNA1A, GABRA2
NCSTN	1.1E−06	0.0024	ADAMTS2, ADCYAP1, CACNA1A
L-酪氨酸	1.2E−06	0.0007	ADAMTS2, CACNA1A
蝦紅素	1.9E−06	0.0007	CACNA1A
ADRB1	1.9E−06	0.0009	ADCYAP1, CACNA1A

兩個資料集中共同的基因或基因家族成員以粗體標示。

跨資料集之間的比較

• 膠原基因為跨資料集的一致訊號
  在患病與未患病雙胞胎的比較中，最顯著的上游關鍵調控因子為CR1L（Complement C3/4 receptor-like 1）調控路徑，與其他資料集中顯著富集的肝纖維化/肝星狀細胞活化以及GP6訊號傳導路徑所涉及的基因之間有高度重疊，這些基因大部分為膠原基因。

• 麩胺酸能路徑反映遺傳風險，GP6/肝纖維化路徑反映臨床疾病

1. 肝纖維化/肝星狀細胞活化與GP6訊號傳導路徑在美國資料集（患病vs.健康個體）與本研究資料集（患病vs.未患病雙胞胎）中皆為最顯著富集路徑。

2. 芬蘭資料集中，患病雙胞胎與健康對照比較中最顯著富集路徑為麩胺酸能路徑。
   推測因為雙胞胎之間共享部分異常（例如：GRIN2B上調、CACNA2D下調），故麩胺酸能路徑在雙胞胎比較中未呈現顯著差異。這些結果指出：
   A. 麩胺酸的異常與家族性或遺傳風險較相關
   B. GP6訊號傳導異常與臨床疾病表現較相關

• 改善PACAP缺失可能為疾病早期預防或干預的潛在治療手段
  在美國資料集和芬蘭資料集的關鍵上游調控因子分析中，ADCYAP1（編碼PACAP蛋白）是最多調控路徑共同涉及的基因，主要參與樹突棘成熟與型態發生，與多項精神疾病密切相關。小鼠實驗顯示，兩種藥物可改善 PACAP 缺失造成的表型缺陷：
• MGS0028（mGlu2/3受體致效劑）：能改善缺乏PACAP的小鼠在新奇物體辨識測試中的缺陷。
• SB-269970（5-HT7拮抗劑）：能改善PACAP缺失小鼠的精神動作與認知缺陷。

本研究結果顯示，思覺失調症的病程中基因表現異常可能遵循以下順序：

1. 先出現麩胺酸能傳遞、神經元成熟、細胞外基質相關訊號異常；
2. 隨後出現多巴胺系統異常（通常發生於前驅期和臨床疾病階段）。

基於此病程推測，MGS0028與5-HT7拮抗劑可能具備早期預防或干預的潛在治療價值。

藥物流行病學結果

• Losartan (氯沙坦)療效顯著，對初發思覺失調症患者的保護效果尤其突出，僅次於傳統抗精神病藥物。
• 噻嗪類利尿劑的的分析結果顯示，Losartan (氯沙坦)的效果並非單純因患者整體治療依從性較高所致。
• Losartan (氯沙坦)與其他血管張力素II受體拮抗劑（ARBs）不僅與思覺失調症復發風險降低顯著相關，且具多種中樞與周邊保護機制，突顯其作為潛在預防性與治療性藥物的應用前景。

 

IPA重現本篇結果

將本研究附件提供的美國（Hoffman et al., 2017）、芬蘭（Tiihonen et al., 2019）以及本研究衍伸（患病雙胞胎vs.健康雙胞胎）的差異表達基因與表現量數據上傳至IPA軟體內進行核心分析（Core Analysis）。分析結果如下所示：

經典路徑富集分析結果

• 芬蘭資料集（患病雙胞胎 vs. 健康對照）
  最顯著富集的路徑為神經血管偶合訊號傳導路徑（Neurovascular Coupling Signaling Pathway），預測呈現抑制狀態；而麩胺酸受體訊號傳導以及白色脂肪組織褐化路徑則分別為第三與第四顯著富集的路徑。其中麩胺酸受體訊號傳導路徑被預測呈現抑制狀態。

圖三、IPA重現芬蘭資料集（患病雙胞胎 vs. 健康對照）中前10名顯著富集之路徑。X 軸為 -log轉換後的p值，橘色實線表示顯著性閾值p = 0.05（-log = 1.3）。長條圖顏色代表路徑的預測狀態：藍色表示抑制，橘色表示活化；白色表示無顯著活化，灰色則代表無法判定活化方向。

• 本研究衍生資料集（患病雙胞胎vs.未患病雙胞胎）
  最顯著富集之路徑為肝纖維化/肝星狀細胞活化路徑。在前十名顯著富集路徑中，多數涉及膠原蛋白生命週期（製造、組裝及分解），顯示膠原蛋白相關基因的表達異常可能在思覺失調症中扮演重要角色。另一重要路徑GP6訊號傳導路徑位列第11名。除了肝纖維化/肝星狀細胞活化路徑無法預測活性外，其餘路徑皆被預測為抑制狀態。

圖四、IPA重現本研究衍生的資料集中前11名顯著富集之路徑

• 美國資料集
  最顯著富集的路徑為膠原蛋白生物合成與修飾酶（Collagen biosynthesis and modifying enzymes），GP6訊號傳導路徑與肝纖維化/肝星狀細胞活化路徑則為第二與第四。除了肝纖維化/肝星狀細胞活化路徑無法預測活性之外，另外兩條路徑均被預測為抑制狀態。

圖五、IPA重現美國資料集中前10名顯著富集之路徑。

結論

• 思覺失調症的早期核心病理機制可能為麩胺酸（促神經元活化）與GABA平衡（抑制神經元活化）的失常，過去認為的多巴胺失衡則為病程較晚期才發生的異常。
• 建議在發病前期（prodromal phase），應該嘗試一些能改善ADCYAP1/PACAP缺陷的藥物，這些藥物可能對早期的病理機制（與麩氨酸/GABA平衡有關）更有效。
  這些藥物包括：
  1. MGS0028（mGlu2/3受體致效劑）
  2. SB-269970（5-羥色胺7型受體拮抗劑）
  3. Angiotensin II receptor blockers（血管收縮素 II 受體阻斷劑）

文獻來源：https://doi.org/10.1016/j.schres.2021.05.011