寻找“岁月神偷”，Nat Commun | 蛋白质组学首次揭示认知轨迹的关联蛋白

景杰学术/报道

随着年龄的增长，人的认知能力可能会出现一定程度的下降。然而，严重影响生活的记忆力和智力障碍并不是衰老的必然结局，这种情况大多与疾病有关。在高龄阶段，随着时间的推移认知能力表现的轨迹可以从稳定到快速下降，这种认知能力的下降可能是严重神经退行性疾病的最早表现。

 以往我们认为认知能力下降可归因于痴呆症病理学；然而，β-淀粉样斑块，神经原纤维缠结，微小梗塞，大脑梗塞和路易体等病理一起仅占认知轨迹变异的41％左右，59％未解释。目前尚不清楚是什么导致认知轨迹的大部分变异。

近日，ISI神经科学领域的高引用研究员，国际公认的神经生物学专家，来自Emory University的Allan I. Levey教授在著名学术期刊Nature Communications上发表论文，首次利用蛋白质组学对认知轨迹进行研究。研究者通过对纵向评估的老年成人脑供体进行无偏倚的蛋白质组学与认知轨迹关联研究，研究发现了579种与认知轨迹相关的蛋白质。

值得注意的是，该项研究提供了认知稳定性中神经元线粒体活性增加的突触丰度增加，炎症和细胞凋亡减少的证据。发现了与认知轨迹相关的蛋白质，特别是38种神经病理学相关的中枢蛋白质，可作为未来认知轨迹机制研究的目标。总之，本文的研究结果为理解认知轨迹中个体差异的分子机制奠定了基础。

研究思路

研究者首先运用Label-Free蛋白质组定量方法，对最初认知未受损，纵向评估的老年成人脑供体进行无偏倚的大规模蛋白质组的认知轨迹关联研究（图1）。然后，对显著相关的蛋白质进行基因本体富集分析，以便更深入地了解认知轨迹中个体差异的生物学过程。接下来，确定与认知轨迹相关的蛋白质是蛋白质共表达网络的关键驱动因素，因为这些蛋白质可能是未来研究认知轨迹机制的有希望的靶标。最后，验证了与认知轨迹相关的蛋白质，与传统的阿尔茨海默病病症无关。

图1. 认知轨迹的蛋白质组学研究

研究精读

1. 个性化的认知轨迹分析

研究者对Banner队列和BLSA队列的个体认知轨迹进行评估，描述了死亡前最后一次临床诊断和Braak分期的认知轨迹，如图2所示，斜率为零或接近零的轨迹反映了认知的稳定性，而斜率为负的轨迹则表明认知能力下降更快。这些数据表明（i）认知轨迹在给定的临床诊断或Braak分期内变化; （ii）在AD病例或Braak分期较大的大脑中，并未出现更快的认知衰退; （iii）认知轨迹为临床诊断和神经病理学发现提供补充信息。

 图2. 个体的认知轨迹图：颜色表示临床诊断和Braak分期

2. 蛋白质组学与认知轨迹的关联研究

接下来研究者通过label-free定量蛋白组学分析，在Banner队列中鉴定到3710种蛋白质，在BLSA队列中鉴定到3933种蛋白质，其中同时在两组样本中检测的蛋白有2752种。通过性别，入学年龄，受教育年龄等信息校正后，分别筛出354种（FDR <0.05）和127种（FDR <0.05）蛋白质与认知轨迹相关联；meta分析有579个蛋白与认知轨迹变化趋势相同，其中350种蛋白的丰度增加，229种蛋白的丰度降低，如图3所示。

接下来，研究者对这579种蛋白质进行PPI分析，揭示出许多与认知轨迹相关的突触前和突触后蛋白之间的PPIs，发现线粒体蛋白在与认知轨迹相关的蛋白中具有显著的特征。GO富集分析及细胞分型结果显示低丰度蛋白主要富集在炎症反应、细胞凋亡、内皮功能和RNA处理等方面，主要是一些少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞；高丰度蛋白主要富集在线粒体功能和突触传递，主要是一些神经元和星形胶质细胞。校正β淀粉样蛋白斑块和神经纤维缠结病理后的全蛋白质组学显示Banner队列中的57个蛋白和BLSA队列中的12个蛋白与认知轨迹相关，meta分析发现232种与认知轨迹相关的蛋白质（图3）。

图3. 认知轨迹中的差异蛋白表达

3. 构建蛋白共表达网络

研究者使用WGCNA在Banner队列中鉴定了20个强共表达蛋白的模块，然后用GO富集分析收集了这些模块中富集的生物学。最大的5个模块分别为突触功能、分解代谢过程和凋亡、线粒体功能、髓鞘形成和转录活性。认知稳定性中丰度较高的蛋白在参与突触功能(Banner M1、BLSA M1和M4)和线粒体功能(Banner M3和BLSA M3)的模块中富集，低丰度蛋白参与凋亡(Banner M2, BLSA M13)，髓鞘形成(Banner M4, BLSA M2)，炎症反应（BLSA M6）。在Banner网络中，20个模块中有10个与认知稳定性有关；在BLSA中，四个模块与认知轨迹相关，校正后只有线粒体功能模块与认知稳定性有限制相关性（图4）。

图4. 蛋白质共表达网络

4. 认知轨迹相关蛋白和中枢蛋白

在蛋白质共表达网络中，中枢蛋白质可能是重要的蛋白质，因为它们与模块中的其他蛋白质高度相关。研究者试图确定与认知轨迹相关的蛋白是否也是Banner和BLSA共表达网络中的枢纽蛋白。

研究者重点研究了579个认知轨迹相关蛋白富集的7个Banner和7个BLSA模块。在Banner中，这七个模块有123个hub蛋白，其中102个(83%)与认知轨迹相关，在BLSA中，七个模块的131个中心蛋白中，有99个(76%)与认知轨迹相关。

研究者对那些与独立于病理的相关蛋白进行了同样的分析，发现在Banner的123中心蛋白质和BLSA的127个中心蛋白中,分别有67个和62个也与认知轨迹关联，其中共有38个蛋白（图5）。这些蛋白是进一步研究的认知稳定性的机制的重要靶标。

图5. 认知轨迹相关蛋白的模块丰富富集

总而言之，本文利用label-free定量蛋白组学的方法对认知稳定性进行了大规模的蛋白质组学分析，发现了与认知稳定性相关的蛋白图谱，为认知稳定性中神经元线粒体活性增加的突触丰度增加，炎症和细胞凋亡减少的等发现提供了有力证据。同时还发现了独立于神经病理学又属于中枢蛋白的蛋白质，为进一步研究认知稳定性的分子机制提供了方向。

作者简介

Allan I. Levey博士，Emory University神经学系教授

Allan I. Levey博士是埃默里大学(Emory University)神经学系教授和系主任，也是埃默里老年痴呆症研究中心(Emory Alzheimer 's Disease Research Center)主任。

Levey博士是国际公认的神经生物学专家，在神经退行性疾病方面做出了诸多原创性工作。他发表了270多篇研究论文。他的工作有助于理解包括阿尔茨海默病和帕金森病在内的神经退行性疾病的大脑系统和机制，并为新的治疗策略确定分子靶点。他获得多个奖项,包括Derek Denny-Brown Neurological Scholar Award, Heikkila Research Scholar Award及 Health Advancement Research Award。Levey博士还被评为ISI神经科学领域的高引用研究员，并一直被列为美国最好的医生之一。(http://neurology.emory.edu/faculty/cognitive/levey_allan.html)

参考文献：

Aliza P Wingo, et al., 2019, Large-scale proteomic analysis of human brain identifies proteins associated with cognitive trajectory in advanced age, Nature communications.

本文由景杰学术团队原创，欢迎转发到朋友圈。如有转载、投稿、等其他合作需求，请添加微信ptm-market（TEL：[phone]）咨询。

往期精彩回顾

4D-LFQ：重磅！Matthias Mann发文，基于捕获离子淌度的新一代4D 蛋白质组学

神经元分化：蛋白质组学揭示神经元分化过程中的蛋白动态变化

神经突触蛋白：“明察秋毫”—利用蛋白组学鉴定神经突触蛋白

组蛋白修饰：你的情绪影响你的基因表达！Nature最新报道：神经递质5-羟色胺通过新型组蛋白修饰发挥调控作用

突触后蛋白质组：最强大脑？BAs突触后蛋白质组图谱绘制与分析

大脑蛋白质谱图：Nature Neuroscience：首次绘制大脑蛋白质谱图

神经元蛋白质动力学：中枢神经系统和神经元细胞中tau蛋白的动力学研究