阿尔茨海默病的基因组学与功能基因组学研究进展
随着人口老龄化的加剧，老年高发疾病造成的社会经济负担渐趋沉重。其中退行性脑疾病的流行形势尤为严峻，阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经退行性疾病与最主要的痴呆类型，其发病率随着年龄增加而呈指数式增长，近年来已成为死因占比增长最快的重大疾病。
本文总结了多种基因组学分析手段鉴定与AD发生发展相关的遗传变异与风险基因，梳理了基于各种组学数据的功能基因组学研究手段，解析遗传变异背后的调控元件、效应基因及其分子过程的研究进展，以期为AD的发病机制解析、药物开发、精准诊治与早期预测提供参考。
AD的遗传力接近80%，提示其人群易感程度、表型差异等性状特征受机体遗传变异的极大影响，寻找影响AD发生发展的基因及其变异，是AD研究的重要内容。
基于家系的连锁分析可鉴定直接导致家族性早发型AD发病的致病基因及其突变；基于病例对照群体的特定候选基因关联分析、全基因组关联分析（GWAS）、全基因组测序、全外显子组测序等遗传分析手段则可鉴定与散发性晚发型AD发生相关的遗传变异与风险基因。
这些遗传分析鉴定的遗传变异与致病基因及风险基因，可提示影响AD发生发展的分子通路，为AD的发病机制解析、药物开发、精准诊断与早期预测提供基础数据与潜在靶点。
AD基因组学研究进展
基于家系连锁分析的AD致病基因及其突变
20世纪80到90年代，研究人员通过连锁分析鉴定出了家族性早发型AD的3个致病基因APP、PSEN1及PSEN2。这3个基因的致病性突变导致Aβ淀粉样蛋白过度产生，是AD的核心发病假说——Aβ假说的主要证据。
然而，家族性早发型AD病例数仅占所有AD患者的不到5%，且上述3个致病基因突变仅能解释不到10%的家族性早发型AD的发生。
本研究团队前期工作发现，部分临床诊断为AD的患者携带其他类型痴呆致病基因突变，而其他类型痴呆致病基因的常见变异也会增加AD的发病风险，提示在临床上进行家族性早发型AD的基因检测尤为必要。
/ /基于常见变异基因分型的AD易感基因及其风险位点
占AD患者绝大部分的散发性晚发型AD，往往是多个效应较小的遗传变异位点与环境因素共同作用的结果，这些微效的遗传变异及其基因被称为风险位点与易感基因。
风险位点多为频率较高的常见变异，主要形式为单核苷酸多态性（SNP）位点。
复杂疾病易感基因和风险位点的鉴定主要依赖于大样本量病例对照群体的关联分析，即通过比较病例和对照样本的基因组中特定等位基因、基因型或单倍型的频率是否存在显著差异，从而确定该等位基因、基因型或单倍型是否与疾病相关。
通过早期关联分析鉴定到的AD风险基因为ApoE；其风险等位基因ε4是目前公认的效应最强的散发型AD遗传易感因子。ApoE ε4等位基因携带者在亚洲人群占比约10%，携带者患AD的风险比非携带者高3倍以上；携带2个拷贝的个体的风险则高达10倍以上。
除ApoE外，基于小样本量的、特定候选基因的关联分析报道了数百个可能与AD易感相关的基因或位点，但大部分后续基因关联分析结果难以在不同的研究中得到验证，可靠的风险基因的鉴定依赖于更大规模人群样本无偏倚的高通量筛选。
GWAS是2007年以来筛选复杂疾病遗传易感位点的最常用方法，能够不依赖预设发病假说、无偏倚地筛选出与疾病遗传易感位点。
国际范围内，AD遗传研究领域主要通过形成样本与数据共享联盟的方式克服样本量不足的问题，并报道了一系列基于大样本量的AD GWAS分析结果，已报道了近百个可能与AD相关的遗传变异位点。
2013年，国际阿尔茨海默病基因组项目组（IGAP）发表了AD GWAS研究的标志性论文，基于当时最大样本量，他们发现与确认了CR1、BIN1、CD2AP等20个基因座的遗传变异与欧洲人群AD风险相关，且将其汇总的统计结果开放下载。这些位点与基因在后续大量的独立研究中得到了验证，为AD发病机制解析和药物开发提供了基础靶点。
然而，还有更多的AD风险位点有待发现，这些新位点的识别在最近2年更大规模的AD GWAS研究中得到实现。
Marioni等发现15个IGAP报道的风险位点在近似AD样本中能够得到验证，并找到3个新的风险位点。Jansen等共发现29个与AD显著相关的风险位点，其中13个为该研究新发现位点。Kunkle等的研究则再次验证了IGAP前期发现的20个位点，并发现了5个新的相关位点。
2020年11月，Wightman等发现了AGRN、FHL2、TNIP1等7个新的AD风险基因。同一时间，Bellenguez等鉴定了40余个新的AD风险位点，并将AD遗传风险相关位点区域/基因座数目提高到75个；其全面的易感基因谱再次提示Aβ、tau、免疫、脂代谢、细胞内吞等通路在AD中发挥关键作用。
/ /基于稀有变异高通量测序的AD易感基因及其风险位点
高通量测序，尤其是全基因组测序和全外显子组测序，逐渐被应用于疾病相关稀有变异的发掘，主要用于寻找人群中频率较低、效应量较大的稀有变异。
Jonsson团队发表了第一篇AD全基因组测序研究，发现TREM2基因中的稀有错义突变能增加AD患病风险，携带该突变能增加3倍患AD的风险。
随后，Wetzel-Smith等在晚发型AD家系中鉴定到了UNC5C基因中的错义突变，Steinberg等的研究则发现GWAS易感基因ABCA7中的稀有错义突变与AD的风险相关。
美国国立卫生研究院衰老研究所和人类基因组研究所于2012年联合发起AD高通量测序项目——ADSP，发现了SORL1、ABCA1、FERMT2等基因的稀有变异在AD患者中显著富集，其中SORL1存在效应极强的极端稀有变异，突变携带者比非突变携带患者的发病年龄提前了近7年。
通过全外显子组测序鉴定到的较为重要的稀有变异还包括Cruchaga等发现的PLD3 p.V233M。另外，IGAP团队也通过外显子芯片技术发现了与AD易感相关的PLCG2、ABI3、ADAM17等基因中的稀有编码区变异。
/ /非欧洲裔人群的AD基因组研究
在不同人群中开展AD遗传学研究，探究不同人群AD遗传易感的共性和特性，对深入理解AD的遗传和发病机制具有重要意义。
AD遗传研究联盟针对非洲裔美国人开展了系列基因组分析，发现部分欧洲裔AD人群风险基因在非洲裔美国人群中能够得到验证；并鉴定了AKAP9、COBL、SLC10A2等非裔美国人群特异的风险基因。
在亚洲人群，AD的全基因组水平的研究相对较少且样本规模较小。
日本AD遗传研究联盟发现PICALM、BIN1等欧洲人群重要的AD风险基因在东亚人群中得到类似结果，并发现SORL1基因的遗传变异在合并的分析中达到基因组水平显著。Hirano等开展GWAS研究，未发现基因组水平显著的位点，仅提示了3个可能与AD风险有关的基因座。最新的日本人群GWAS研究发现了日本人群特异的AD易感基因FAM47E。
Kang等发现ApoE区域以及CACNA1A与LRIG1是韩国人群AD易感基因。
在中国，第一个全基因组水平的AD遗传研究来自叶玉如院士团队，鉴定到4个中国人群的AD风险位点，分别位于GCH1、APOC1、KCNJ15和LINC01413中。
本研究团队报道了第一个中国汉族人群的全外显子组水平显著的风险变异——补体因子C7基因稀有错义突变p.Q420K，该突变主要出现在东亚人群，携带者的AD发病风险比非携带者高约2倍。
贾建平教授团队报道了中国人群第一个AD GWAS研究，再次验证了ApoE基因在不同人群均是AD的强效风险基因，并发现4个位点与中国人群AD遗传易感相关。
AD的功能基因组学研究进展
功能基因组学研究——跨越位点到靶点的鸿沟
揭示基因组变异的生物学功能是功能基因组学的研究内容。
DNA及其结合组蛋白的修饰，即表观遗传改变，是调控基因组元件发挥转录调控功能的关键，也是环境因素与遗传因素交互作用的基础；而mRNA、蛋白、代谢物等是生命活动的执行者。
以基因组变异及表观遗传修饰的基因组功能注释信息为基础的表观组、转录组、蛋白组、代谢组等多种组学层面的数据，均属于广义的功能基因组研究的范畴。
/ /AD的表观组学研究
目前表观遗传学研究关注的表观修饰主要包括DNA碱基修饰、组蛋白修饰以及染色质重构等。
2014年，Lunnon等和de Jager等发表了大规模的AD表观组关联研究（EWAS），发现脑组织中ANK1等基因的甲基化在AD进展过程中发生了改变。
组蛋白修饰也是表观遗传学研究的热点。
Nativio等发现AD会导致与衰老或AD相关基因附近的H4K16ac组蛋白修饰发生显著丢失。
Marzi等发现大量H3K27ac信号发生改变的区域，这些区域主要富集在与AD相关的通路，并覆盖了多个AD风险基因。
Klein等发现脑内tau蛋白对H3K9ac的影响更广泛，能导致大范围的染色质构象发生改变。
通过整合基因组层面数据，与其他层面组学数据，鉴定风险变异位点中的功能变异与效应基因，是当前复杂疾病遗传研究的热点。
Kikuchi等利用与染色质状态相关表观遗传数据对GWAS报道的AD相关SNP进行功能注释发现，大部分AD相关GWAS位点是位于增强子的变异，且通过影响染色质三维折叠来调控其靶基因表达。
/ /AD的转录组与蛋白质组研究
对AD发病过程中基因表达水平（转录组）与蛋白水平（蛋白质组）的变化进行研究，有助于更好地理解AD的发病机理。
随着转录组测序技术的进步，AD表达谱研究广泛开展，鉴定出了大量在AD中表达水平异常的基因以及受到干扰的通路，如线粒体通路、钙离子信号通路以及神经炎症通路等。
本研究团队对AD相关脑组织表达谱数据进行了汇总与重新归一化，产生了基于大样本量的表达谱数据，给出了一个全面的基因差异表达列表，并构建了一个数据库AlzData（alzdata.org）。
AD发展的过程中伴随神经元丢失和胶质细胞增生等现象，在脑组织水平观察到的基因差异表达可能受各种神经细胞比例变化的影响，单细胞测序技术的兴起使得在单细胞分辨率水平检测AD中各类神经细胞中基因表达谱的精确变化成为新的趋势。
基因转录往往是通过共表达网络模块的方式发挥作用。
Zhang等利用表达谱数据构建基因共表达网络，并通过表达数量性状位点数据，确定共表达网络中基因的上下游关系，发现免疫/胶质细胞相关模块与AD发病机制强烈相关，且TYROBP基因是该模块中起关键作用的调控因子。
本研究团队前期构建了不同脑区AD患者差异表达基因构成的调控网络，发现Hippo信号通路的转录共激活因子YAP1受遗传风险位点调控而发生表达水平改变的变化，能够扰乱进而影响整个脑表达调控网络，从而促进AD的发生发展。
蛋白组、代谢组等多个水平的组学研究也为发现AD相关重要基因或通路，以及AD发病机制的研究提供了多个层面的证据。
Andreev等发现197种蛋白的水平在AD和对照间存在显著差异。
Johnson等发表了迄今最大的AD脑组织蛋白组数据，发现糖代谢相关模块在AD发病过程中表达升高。
而结合脑组织蛋白质组与AD相关GWAS位点的分析，则促进了单独GWAS水平未能关注的一批新基因的发现。
AD相关代谢组、脂质组等也取得部分进展。
Toledo等发现鞘磷脂以及含醚磷脂酰胆碱等代谢产物的水平与疾病或疾病发展进程相关。
AD蛋白组和代谢组研究大多针对血液和脑脊液等相对易于获取的样本，这类研究能够帮助寻找AD早期诊断或显示AD发病进程的生物标记物。
Mapstone等发现了10个能够预测正常人是否在2~3年内会向AD/MCI转化的脂质分子。
上述研究主要基于欧美人群样本，在中国乃至亚洲人群还较缺乏相关的组学研究；国内建设的脑组织标本库，正在顺利推进，并取得了初步成果。
马超教授团队基于北京协和医学院人脑组织库的样本，发现突触结构蛋白与补体组分C1r、C5、C9等特异性出现在AD患者的脑组织斑块中，与前期基因组水平的数据共同提示了补体系统在AD发生发展中的重要作用。
阿尔茨海默病遗传研究的趋势与挑战
目前，对于中国人群乃至东亚人群，仍缺乏基于大样本量的全基因组水平的分析，这一现状与中国的患者人数与发展水平严重不符，制约了中国AD人群的风险预测模型的构建与个体化治疗的进程。
期待国内AD遗传研究联盟的尽早建立与脑库的大力发展，能够为中国AD人群全面的遗传分析与大数据解析提供核心促进作用。
基因组学与功能基因组学鉴定的结果用于促进我们对发病机制的理解、转化为有效的干预靶点，还是很大挑战。整合不同层面的组学数据，将为AD发生发展的分子机制解析、生物标志物筛选与干预手段研发，提供重要的基础数据。
随着多组学数据的普及和前沿实验技术的发展，促进位点到靶点、基因到机制的转化成为AD遗传研究领域的新兴课题。这一方面依赖于单细胞水平的表观组、转录组等功能基因组数据的逐渐丰富，另一方面依赖于位点组合效应的探索、新型动物模型的产生。
另外，拷贝数变异、插入缺失、神经细胞体细胞突变等遗传元件的分析，仍待加强。
在可预见的未来，随着AD遗传与发病机制的充分解析、药物开发的不断努力以及基因治疗技术的不断革新，我们有理由相信，AD终将变成可防、可控、可治的疾病。
本文作者：张登峰，徐敏，姚永刚
作者简介：张登峰（通信作者），中国科学院昆明动物研究所动物模型与人类疾病机理重点实验室，研究员，研究方向为医学遗传学；徐敏（共同第一作者），中国科学院昆明动物研究所动物模型与人类疾病机理重点实验室，副研究员，研究方向为生物信息学；姚永刚（共同通信作者），中国科学院昆明动物研究所动物模型与人类疾病机理重点实验室、中国科学院脑科学与智能卓越创新中心，研究员，研究方向为医学遗传学。
论文全文发表于《科技导报》2021年第20期
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