Nat Neurosci︱阿尔兹海默症大脑组织蛋白组学分析揭示新机制
撰文︱付慧敏
责编︱王思珍
目前，由于缺乏有效的治疗方法，阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）仍然是一个相当严重的个人和公共健康负担。AMP-AD（the Accelerated Medicines Partnership for Alzheimer’s Disease）集团通过基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的数据分析，一直致力于理解AD的发病机制。基因组学大大促进了我们对AD遗传风险的理解，然而，遗传风险因素究竟是如何影响AD发生发展过程中的生物学通路的，并不清楚[1]。因此，需要使用其它组学方法进行更多层次的分析，以了解AD人脑中的危险因素的生物学效应。转录组学已被广泛用于测量AD大脑中的mRNA转录本，并将该转录组数据与AD遗传风险因素相结合进行分析[2]。然而，AD遗传和环境因素作用的最终生物效应物往往是蛋白质及其调节的代谢通路。与基因组学和转录组学相比，蛋白质组学对目标分析物的深度相对较低，原因是分析氨基酸聚合物与核酸聚合物的复杂性及技术局限性。
近日，埃默里大学医学院的Nicholas T. Seyfried教授课题组和Allan I. Levey教授课题组合作在Nature Neuroscience期刊上发表题为“Large-scale deep multi-layer analysis of Alzheimer’s disease brain reveals strong proteomic disease-related changes not observed at the RNA level”的研究论文。研究者们通过使用串联质谱标签技术（TMT-MS）[3] 对超过1000个AD大脑组织进行了分析，揭示了新的与AD相关的蛋白表达模块（尤其包括MAPK/代谢模块和matrisome模块），这些模块在不同组群和脑区中高度保守。研究为AD治疗提供了新的标志物靶标。
首先，他们采用TMT-MS技术分析了健康对照组、无症状AD（AsymAD）和AD病人大脑的总共516个背外侧前额叶皮层（DLPFC），经过数据处理和去除离群值后，使用加权基因共表达网络分析算法（WGCNA），建立了一个含有8619个蛋白质的44份模块组成的表达网络，并观察到这44个模块中的很大一部分与AD的至少一种病理表现或认知功能显著相关。其中，突触后密度、MAPK信号传导和代谢、细胞-细胞外基质相互作用、以及细胞外基质相关蛋白（即基质体），这4模块与AD神经病理症状或认知的相关性最强。在无症状AD大脑中，与tau微管结合域（MTBR）水平升高相关性最强的细胞-细胞外基质相互作用和基质体模块显著增加，与MTBR负相关的突触后密度、突触/神经元模块显著降低（图1）。总之，这些数据显示了之前未被报道的与AD相关的蛋白模块的改变，且这些新模块中的一些也在AD早期阶段发生了改变，这可能反映了在AD神经病理学存在时但在认知能力下降之前的病理生理过程，并与tau平衡不良相关。
图1 TMT AD蛋白表达网络
（图源：Johnson E, et al., Nat Neurosci, 2022）
那么，这些网络模块是否也存在于其他脑区呢？作者通过对额叶皮质BA6（n=113）、颞叶皮质BA37（n=113）、海马旁回（PHG）BA36组织（n=151）、DLPFC BA9（n=40）和前扣带回BA24组织（n=40）进行分析，发现几乎所有的AD网络模块在不同的队列、中心、方法和脑区都得到了保留，这表明观察到的蛋白质表达关系并不是DLPFC独有的（图2）。
图2 TMT AD网络在不同队列、中心、方法和大脑区域保留
（图源：Johnson E, et al., Nat Neurosci, 2022）
然后，他们比较AD中RNA和蛋白质表达网络的异同，发现蛋白质网络模块与认知功能的相关性比RNA网络模块更强。有168个RNA网络与蛋白网络相重叠，且44个模块中的26个蛋白质模块在RNA网络中被保留了下来（包括与AD相关的模块突触/神经元、线粒体、突触后密度、细胞-ECM相互作用），还有18个蛋白网络模块在RNA网络中没有保留（包括与AD相关的模块MAPK/代谢、泛素化、糖基化/ER等）。在这些模块中，MAPK/代谢模块保留在RNA网络中的最少，说明其在蛋白质组中的高度特异性（图3）。
图3 TMT AD蛋白网络中与AD相关的模块RNA网络组中保留
（图源：Johnson E, et al., Nat Neurosci, 2022）
接下来，作者评估了AD蛋白网络模块与标志性的AD神经病变淀粉样β（Aβ）斑块和神经纤维缠结（NFTs）之间的关联。发现突触/神经元、线粒体和蛋白折叠模块在斑块、缠结中都有明显的富集趋势。MAPK/代谢模块也在斑块和缠结中富集，而matrisome模块没有明显富集，尽管淀粉样前体蛋白（APP）和脂蛋白E（ApoE）是该模块的成员。总的来说，课题组发现了几个富集于NFTs和Aβ斑块中蛋白网络模块，包括MAPK/代谢模块，与标志性AD病症之间的空间关系一致（图4）。
图4 TMT AD蛋白网络中与NFTs（n=543）和Aβ斑块（n=270）共定位的蛋白质重叠
（图源：Johnson E,et al., Nat Neurosci, 2022）
随后，作者借助全基因组关联研究（GWAS）又对蛋白模块与AD相关的遗传位点之间的联系进行了评估。发现模块matrisome、蛋白酶组、糖基化/ER等与AD风险基因有明显的富集。其中，MAPK/代谢模块则仅表现出富集趋势，而模块matrisome的强烈富集是由该模块中的载脂蛋白驱动的，因为它与AD风险紧密相关（图5）。
图5 Matrisome模块在AD遗传风险中富集，并通过APOE ε4而增加
（图源：Johnson E,et al., Nat Neurosci, 2022）
最后，课题组对AD蛋白模块网络水平与个人认知轨迹的关系进行建模分析，并对神经病理学进行了调整。发现与认知能力下降最密切相关的模块包括MAPK/代谢、matrisome等（图6）。
图6 MAPK/代谢模块与认知能力下降相关
（图源：Johnson E,et al., Nat Neurosci, 2022）
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41593-021-00999-y
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参考文献（上下滑动阅读）
【1】 Karch, C. M. & Goate, A. M. Alzheimer’s disease risk genes and mechanisms of disease pathogenesis. Biol. Psychiatry 77, 43–51 (2015).
【2】Yang, H. S. et al. Genetics of gene expression in the aging human brain reveal TDP-43 proteinopathy pathophysiology. Neuron 107, 496–508 (2020).
【3】Ping, L. et al. Global quantitative analysis of the human brain proteome and phosphoproteome in Alzheimer’s disease. Sci. Data 7, 315 (2020).
制版︱王思珍
本文完