Science：帕金森病的风险基因——GPNMB
自2005年以来，全基因组关联研究(GWAS)旨在寻找PD的常见变异风险位点。这些PD GWAS现在已经发现了90个全基因组的重大风险信号。然而，靶基因和机制在很大程度上仍然未知，阻碍了该领域从这些基因组研究中开发下游治疗方法的能力。
近日，Alice S. Chen-Plotkin团队在Science杂志上发表了他们最新的研究成果“GPNMB confers risk for Parkinson’s disease through interaction with α-synuclein”。
在这项工作中，作者试图通过剖析一个常见的变异GWAS衍生的PD风险位点来扩大PD治疗靶点的范围。他们使用计算、细胞生物学和基于人体组织的方法来确定GPNMB是真正的PD风险基因。此外，作者将GPNMB-aSyn相互作用和GPNMB表达水平与PD的发展联系起来。
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GPNMB为PD风险位点
rs199347的靶基因
多个GWAS已将7号染色体基因位点rs199347与PD联系起来。GPNMB 表现出PD风险和表达数量性状基因座(eQTL)效应之间的最大重叠，在受PD影响的尾状脑区观察到最显着的共定位效应。
当更广泛地检查eQTL效应时，发现rs199347基因型与所有GTEx表征的大脑区域以及全血中的GPNMB表达水平显着相关（图1A）。因此，现有数据库的计算分析强烈暗示GPNMB作为该基因座的靶基因，较高水平的大脑和血液表达与PD风险相关。
eQTL效应的机制基础在于等位基因特异性表达(ASE)，即给定基因位点的不同等位基因表现出不同水平的表达。作者开发了一种基于RNA-seq的人脑组织ASE测定法（图1B），并用它来研究携带rs199347单倍型的两个不同等位基因的个体是否证明了GPNMB的ASE。无论PD状态或大脑区域如何，作者发现GPNMB的高度ASE，15个脑样本中有15个显示出显著的ASE（图1C）。
最后，作者通过免疫印迹检查了多个死后病例，证实了GPNMB在人脑中的蛋白质水平上表达（图1D）。因此，人类PD样本中数据库预测和经验验证的eQTL研究均支持GPNMB作为rs199347基因座的靶基因，并在大脑中表达蛋白质。
图1.7号染色体PD风险基因座是多组织GPNMB eQTL并显示ASE
iPSC-Ns中GPNMB的缺失
会降低突触aSyn
利用CRISPR-Cas9基因组编辑，结果发现，在形态、神经元标志物的表达和触发动作电位序列的能力表明成熟的时间点，GPNMB的丧失伴随着突触处aSyn的显着减少（图2A和B）。
此外，当作者量化显微镜结果时，在Het、KO1和KO2系中观察到类似水平的下降（图2C）。相比之下，另一种突触前末端蛋白synapsin-1的染色在iPSC-N系之间没有显着差异（图2C）。
为了证实免疫荧光的发现，作者从WT、Het、KO1 和 KO2 iPSC-N系中分离出突触体，并通过免疫印迹在突触体和胞质部分中量化aSyn（图2，D到M）。在显微镜实验的同一时间点，Het和KO1系中的突触体aSyn减少（图2，D和F）。相比之下，WT、Het KO1和KO2系之间的突触体和胞质突触蛋白-1水平均无显着差异（图2G和H）。
因此，神经元中GPNMB的表达降低导致突触处aSyn的丢失，这表明rs199347风险单倍型、GPNMB表达和aSyn之间存在直接联系。此外，GPNMB的丢失可能导致更广泛的突触缺陷。
图2.GPNMB的杂合子和纯合子丢失导致aSyn表达和定位发生改变
iPSC-Ns的转录组分析揭示了
GPNMB对突触生物学和aSyn的影响
无论是使用前35个差异表达基因（图3A）进行层次聚类还是使用所有表达基因（图3B）进行主成分分析（PCA），GPNMB WT系都是与Het和KO线分开的。GPNMB Het与KO系相比，相对较少的基因表现出差异表达（图3C至E）。
M1基因的生物通路分析揭示了突触相关类别的显着过度表现（图3F），证实了细胞生物学发现。前三个类别在与受体酪氨酸激酶相关的M2基因中过多（图3G）。这些数据突出了GPNMB缺失对aSyn的强大功能影响。
图3.具有GPNMB杂合或纯合缺失的iPSC-Ns的转录组分析揭示了突触生物学的改变
GPNMB测量反映PD的临床状态
作者探讨了是否可以在来自731名PD和59名NC个体的血浆和脑脊液(CSF)样本中检测到GPNMB（图4）。此外，他们试图了解活体生物体液中的GPNMB测量值是否可能反映rs199347基因型或疾病。
作者发现rs199347基因型与CSF中的GPNMB水平在GTEx(10)预测的方向上相关，而在血浆中未观察到蛋白质数量性状基因座(pQTL)效应（图4A和B）。然而，值得注意的是，与健康被试相比，PD个体的血浆GPNMB水平升高（图4C）。
在具有临床严重程度测量的96名PD个体的子集中（图4E），血浆GPNMB水平与疾病严重程度相关，在受影响更严重的PD患者中发现血浆GPNMB较高（图4F）。
图4.生物流体GPNMB蛋白水平与rs199347基因型、PD诊断和疾病严重程度相关
结 论
使用统计遗传方法、人脑样本中ASE的直接测量、基于CRISPR的iPSC-N中基因水平操作以及人类生物标志物研究，作者将GPNMB确定为PD风险基因。此外，使用PD细胞模型，作者表明GPNMB作为中断病理性aSyn传输的潜在治疗靶点。
最后，作者证明了GPNMB表达水平的重要性，即使部分表达缺失也会对aSyn和突触产生深远影响，并且表达增加与PD的临床严重程度相关。
参考文献
Diaz-Ortiz ME, Seo Y, Posavi M, Carceles Cordon M, Clark E, Jain N, Charan R, Gallagher MD, Unger TL, Amari N, Skrinak RT, Davila-Rivera R, Brody EM, Han N, Zack R, Van Deerlin VM, Tropea TF, Luk KC, Lee EB, Weintraub D, Chen-Plotkin AS. GPNMB confers risk for Parkinson's disease through interaction with α-synuclein. Science. 2022 Aug 19;377(6608):eabk0637. doi: 10.1126/science.abk0637. Epub 2022 Aug 19. PMID: 35981040.
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）