Nautre Medicine：首次！揭示阿尔兹海默症中数量性状基因座——PM20D1
阿尔兹海默症（AD）的诱发可能性源于遗传因素和非遗传因素的共同作用，非遗传因素往往由表观遗传机制所调控。在过去，全基因组关联研究（GWAS）已揭示了AD病理学相关的大量风险位点，但其因果关系仍然很难建立。相反地，特定位点基因研究与表观基因组关联研究（EWAS）揭示了特定位点的表观遗传变异，加深了对特定风险基因的理解，但常缺乏GWAS统计学说服力。
近期，来自瑞士洛桑洛桑理工学院、西班牙巴塞罗纳德贝尔维奇生物医学研究所等多家研究机构组成的研究小组，应用GWAS、EWAS等研究技术，通过分析APP/PS1 AD转基因小鼠模型和携带非风险单倍体类型的AD患者。首次揭示了之前未被鉴定的PM20D1（peptidase M20-domain-containing protein 1）与AD的关联性【1】。
相关研究成果以PM20D1 is a quantitative trait locus associated with Alzheimer’s disease为题，于2018年5月7日在线发表在Nature Medicine上。
研究小组发现：PM20D1含一个甲基化和表达量性状位点（偶联AD风险的相应单倍体），其表现出增强子特征，并通过单倍体依赖的CCCTC结合因子-介导染色质环与PM20D1启动子相连接。此外：在AD症状阶段，PM20D1会随着神经毒性的增强而增加；增加/减少PM20D1的基因表达会相应缓解/恶化AD病理。综合结果表明：在特定遗传背景下，在AD病理中，PM20D1起神经保护作用。
最近，对AD表观基因组的研究迅速增加，越来越多的表观遗传失调基因被发现。但在人类的独立研究中，只有少数这样的基因被揭示（如：ANK1、SORBS3、HDAC2）。
这种差异源于神经系统复杂的异质性。在此情况下，个体内表观遗传、个体间遗传和表观遗传变异，都需要进行更精细和综合的研究。
通过表观遗传与遗传相结合的研究手段，很有可能鉴别出与DNA甲基化水平变化相应的单核苷酸多态性（SNPs）：甲基化数量性状基因座定（mQTLs）。mQTLs在复杂疾病的研究中扮有重要角色。mQTLs在神经障碍疾病（如：精神分裂症、强迫症、躁郁症）研究中已见报道，但目前为止，其在神经退行性疾病（如：AD）研究中却未见报道。
在之前两项EWAS研究中，研究小组已经研究了一组来自神经退行性疾病（PD、路易体痴呆、AD）患者不同疾病阶段的DNA甲基组变化、以及海马体和额叶皮质两个主要受影响的大脑区域。研究小组对实验组（AD样本）和对照组（健康样本）进行了数据集再分析，发现：在实验组中，PM20D1基因（mQTL）会持续启动子的甲基化，而对照组中则无此现象(Fig.1)。同时通过分析DNA甲基化数据集（NCBI: GSE45775,GSE57361, GSE59685,GSE76105,GSE80970) ，发现：AD样本中富含PM20D1的超甲基化(Fig.1)。
Fig.1 Overview of the PM20D1 locus and its relation to AD in human frontal cortex.
在本研究中，研究小组先分析了额叶皮质脑样本中PM20D1 mQTL与AD的关联性，数据表明：PM20D1超甲基化与AD有必然的关联性，同时，PM20D1的甲基化和表达依赖于单倍型（rs708727-rs960603）(Fig.1)。
基因表达的正确控制依赖于与启动子区域进行衔接的远顺式元件。通过进一步分析rs798727-rs960603单倍型和PM20D1表达之间的分子学关系。发现：表观遗传修饰在功能上的重要性。当用DNA脱甲基剂（5-azacytidine-dC）与HDAC抑制剂丙戊酸混合处理样本时，不仅恢复了DNA甲基化和组蛋白乙酰化的改变，而且还恢复了染色质环和PM20D1 RNA表达(Fig.2)。
Fig.2 Long-range chromatin interaction of the rs708727–PM20D1 locus.
已有证据表明：与疾病相关的SNPs会影响增强子的正常功能。通过比分析DENdb数据库（Dragon ENhancers databas）及增强子区域，发现：在3C5'位置，单倍体依赖的3D染色质的相互作用。其具有增强子特征及环依赖的差异性表达PM20D1的启动子区域(Fig.2)。
紧接着，研究小组以APP/PS1 AD小鼠模型体内/外实验，及AD人脑实验，进一步分析了PM20D1与AD在病理生理学上的关联性。发现：经免疫组织化学（IHC）测量，在两种样本中，PM20D1表达与神经胶质元周围的神经胶质细胞有关(Fig.3)。
Fig.3 Functional relevance of PM20D1 in AD.
其次，通过病毒介导的PM20D1过表达及反义寡核苷酸（ASOs）的表达调控，发现：PM20D1过表达导致淀粉样蛋白斑（Aβ）堆积的减少，反之，会导致Aβ堆积的增加及NOR（novel object recognition）的恶化(Fig.3)。
最后，研究小组总结道：PM20D1与AD密切相关。DNA甲基化和RNA表达实验表明：PM20D1在AD表达十分显著（通过CTCF调控的染色质环与AD单倍型相关联）；在功能上，PM20D1表达由体外/内的神经毒性损伤激发，PM20D1过度表达会降低Aβ水平、减少神经元死亡，从而提高认知能力。因此，PM20D1高水平表达可能为AD患者（非风险单倍体携带者）提供潜在的细胞防御机制。
已有研究证明PM20D1与肥胖和糖尿病有关，而肥胖和糖尿病本身就是AD的风险因素。此外，据报道，在患有肥胖症或多发性硬化症的个体中，PM20D1表现出是不同的甲基化（位于1号染色体的PD16（易感性）位点上（PARK16）），该位点已经被证明与帕金森氏症（PD）有关。在这些条件当中，PM20D1是否表现为上位性和/或多效性特征（epistatic and/or pleiotropic trait），以及其精确的行为模式，仍需要进一步的研究。
文末附英文Abstract
The chances to develop Alzheimer’s disease (AD) result from a combination of genetic and non-genetic risk factors, the latter likely being mediated by epigenetic mechanisms. In the past, genome-wide association studies (GWAS) have identified an important number of risk loci associated with AD pathology, but a causal relationship remains difficult to establish. In contrast, locus-specific or epigenome-wide association studies (EWAS) have revealed site-specific epigenetic alterations, which provide mechanistic insights for a particular risk gene but often lack the statistical power of GWAS. Here, combining both approaches, we report a previously unidentified association of the peptidase M20-domain-containing protein 1 (PM20D1) with AD. We find that PM20D1 is a methylation and expression quantitative trait locus coupled to an AD-risk associated haplotype, which displays enhancer-like characteristics and contacts the PM20D1 promoter via a haplotype-dependent, CCCTC-binding-factor-mediated chromatin loop. Furthermore, PM20D1 is increased following AD-related neurotoxic insults at symptomatic stages in the APP/PS1 mouse model of AD and in human patients with AD who are carriers of the non-risk haplotype. In line, genetically increasing or decreasing the expression of PM20D1 reduces and aggravates AD-related pathologies, respectively. These findings suggest that in a particular genetic background, PM20D1 contributes to neuroprotection against AD.
主要参考：
【1】Jose V. Sanchez-Mut , et al. PM20D1 is a quantitative trait locus associated with Alzheimer’s disease.Nature Medicine（7 May 2018）.Doi:10.1038/s41591-018-0013-y.
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