Cereb Cortex︱杜怡峰/仇成轩课题组揭示KIBRA基因多态性与老年人大脑灰质结构及嗅觉功能之间的复杂关系

撰文︱宋  林

责编︱王思珍

编辑︱杨彬薇

肾脑表达蛋白（the kidney and brain expressed protein，KIBRA）是由WWC1基因编码的突触后蛋白，可以调控突触可塑性及脑组织体积[1-3]。KIBRA基因常见的单核苷酸多态性位点rs17070145位于染色体第九号内含子[4]。既往研究发现KIBRA rs17070145多态性可能与前额叶皮层灰质体积有关[5, 6]。神经解剖及功能研究表明，眶额皮层为前额叶皮层的重要组成部分，而眶额皮层为次级嗅觉中枢[7]，对嗅觉功能调控起着重要作用[8, 9]。然而，KIBRA rs17070145多态性是否与嗅觉功能相关，以及大脑结构是否在这种关联中发挥作用尚未得到研究证实，尤其是基于人群的大规模研究。

为此，研究者基于该课题组先前在山东省阳谷县建立的中国延缓老年痴呆和失能的随机化对照多模干预研究（randomized controlled Multimodal INterventions to delay Dementia and disability in rural China，MIND-China）所采集的大样本（n=1016）颅脑磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）结构像数据、KIBRA rs17070145基因型数据以及嗅觉功能检测数据，利用基于体素的形态学测量（voxel-based morphometry，VBM）以及多元线性回归、逻辑回归、中介效应分析等方法，分析KIBRA rs17070145基因型与老年人脑结构和嗅觉功能的关系，以及KIBRA rs17070145基因型在与嗅觉功能的关联中与年龄及APOE基因型之间的交互作用，并进一步探究与KIBRA rs17070145基因型相关的脑结构在何种程度上介导KIBRA rs17070145基因型与嗅觉功能的关系。

2022年8月，山东第一医科大学附属省立医院神经内科杜怡峰课题组与瑞典卡罗琳斯卡医学院仇成轩课题组在Cerebral Cortex上发表了题为“Thalamic gray matter volume mediates the association between KIBRA polymorphism and olfactory function among older adults: a population-based study”的文章。该研究揭示了KIBRA rs17070145 C等位基因与更低的老年人嗅觉损伤风险有关，其相关性在≥70岁的老人及APOE ε4非携带者中更为显著，并且这种关联部分通过左侧丘脑灰质体积（gray matter volume，GMV）介导。宋林博士为论文第一作者，杜怡峰教授与仇成轩教授为论文共同通讯作者。

该研究首次在大型人群队列中分析KIBRA rs17070145多态性与老年人大脑结构及嗅觉功能之间的相关性。这项基于人群的横断面研究使用了MIND-China项目基线期数据。MIND-China项目旨在探索对中国老年人生活方式和社会文化因素敏感的阿尔茨海默病多模式干预措施，以延缓老年人认知功能下降和体力活动功能的衰退（图1）。共有5765名来自当地农村社区的老年受试者（年龄≥60岁）接受了广泛的基线检查，以评估他们的生活方式、健康状况、认知和身体功能以及生物标志物；其中一些老年人还使用特殊医疗设备检查了健康状况和大脑老化的客观指标，例如多模态颅脑MRI扫描、眼底断层扫描、运动量评估（ActiGraph检查）、睡眠监测和听力测试。该项目是全球老年痴呆多模干预国际联盟（World-Wide FINGERS Network）的旗舰项目（图1）[10]。

图1  MIND-China项目研究概况

（图源：Wang Y, et al., Alzheimers Dement (N Y), 2022）

该研究共招募1178名受试者在当地医院接受颅脑MRI扫描，并使用16项嗅棒识别测试（Sniffin’ Sticks identification test，SSIT）检测嗅觉功能。其中91人因图像质量不佳（n=54）或KIBRA rs17070145基因型数据缺失（n=37）而被排除，剩余1087名受试者数据用来进行KIBRA基因型和脑结构相关性分析（分析样本1）（图2）。其中，研究者进一步排除了59名嗅觉功能数据缺失的受试者，剩余1016名受试者用于研究KIBRA rs17070145基因多态性与嗅觉功能的关联（分析样本2）（图2）。

图2  研究受试者纳入流程图

（图源：Song L, et al., Cereb Cortex, 2022）

该研究首先对受试者一般特征进行了统计分析：1087名受试者的平均年龄为69.54岁，57.96%的受试者为女性，34.50%为文盲。在所有受试者中，分别有58.23%、35.79%和5.98%携带KIBRA rs17070145 TT、CT和CC基因，KIBRA rs17070145各基因型组在人口学特征、体重指数、体育锻炼、心血管危险因素、APOE ε4等位基因、鼻窦疾病和MMSE评分等方面无显著差异（表1）。

表1  受试者一般特征分析

（表源：Song L, et al., Cereb Cortex, 2022）

之后，研究者利用VBM分析方法识别出5个大脑团块，相比于KIBRA TT等位基因携带者，这些团块的GMV在KIBRA C等位基因携带者中显著增大，主要分布在双侧眶额皮层、左侧丘脑、右侧扣带回中部和左侧补充运动区。其中最大的团块主要位于左侧眶额区，该团块54.64%的体素位于左侧额下回眶部，33.93%的体素位于左侧额中回眶部，11.05%的体素位于左侧额上回眶部。第二大团块主要位于右侧眶额区，该团块66.98%的体素位于右侧额下回眶部，28.98%的体素位于右侧额中回眶部。第三大团块的所有体素均位于左侧丘脑（图3）。

图3  VBM分析结果 KIBRA rs17070145 C carriers vs TT

（图源：Song L, et al., Cereb Cortex, 2022）

研究者进一步将VBM分析识别出来的差异脑区作为感兴趣区，提取感兴趣区GMV，分析KIBRA rs17070145基因型与感兴趣区GMV之间的关联。结果显示，在控制多种混杂因素后，KIBRA rs17070145 C等位基因与左侧丘脑和双侧眶额皮质（包括左侧额下回眶部、左侧额中回眶部、左侧额上回眶部、右侧额下回眶部和右侧额中回眶部）的GMV增加显著相关（表2）。

表2   KIBRA rs17070145基因型与感兴趣区GMV的相关性分析

（表源：Song L, et al., Cereb Cortex, 2022）

研究者接下来进行了嗅觉功能与感兴趣区GMV的相关性分析，分析表明左侧丘脑GMV以及左侧补充运动区GMV与减低的嗅觉损伤风险显著相关。研究者又进行了KIBRA rs17070145基因型与嗅觉功能的关联分析，结果显示KIBRA rs17070145 C等位基因与更低的嗅觉损伤风险显著相关，交互作用分析显示，KIBRA rs17070145基因型与年龄分组以及APOE基因型有显著的交互作用，进一步分层分析发现，KIBRA rs17070145基因型与嗅觉损伤的相关性仅在高龄组（年龄≥70岁）以及APOE ε4非携带者中显著（图4）。

图4 KIBRA rs17070145基因型与嗅觉损伤的相关性分析及交互作用分析

（图源：Song L, et al., Cereb Cortex, 2022）

以上研究表明，左侧丘脑GMV与KIBRA rs17070145基因型以及嗅觉功能之间均存在显著关联，为此研究者在文章最后进行了KIBRA rs17070145基因型→左侧丘脑GMV→嗅觉功能的中介效应分析，利用5000次bootstrapping自助抽样方法检验中介效应显著性，分析表明：在控制相关混杂因素后，左侧丘脑GMV显著介导了KIBRA rs17070145基因型与嗅觉损伤之间的关联，中介效应占比为8.08%（图5）。此外，为了验证分析结果的鲁棒性，研究者在补充材料部分进行了敏感性分析，在剔除了111例有鼻窦疾病病史的受试者后重复分析了KIBRA rs17070145基因型与脑结构及嗅觉功能之间的关系，所得结果与上述研究结果基本相同（图5）。

图5 中介效应分析

（图源：Song L, et al., Cereb Cortex, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，这项基于人群的大样本研究采用脑影像分析方法与流行病学分析方法相结合的方式，首次报道了KIBRA rs17070145基因型在老年人群中与嗅觉损伤之间的显著相关性，同时这种相关性可被左侧丘脑GMV部分介导，对既往研究起到了很好的验证与补充作用。该研究通过队列人群数据库构建起基因多态性→脑影像结构→外表型的通路分析模式，也为后续相关研究提供了一定的借鉴与参考价值。此外，嗅觉损伤是阿尔茨海默病早期重要病理特征，这项研究也为寻找阿尔茨海默病早期干预靶点带来一定的启发。需要注意的是，由于研究设计的横断面性质，无法确定脑结构与嗅觉损伤之间的时间关系，未来需要神经生物学以及行为学基础研究进一步明确KIBRA rs17070145基因型与嗅觉损伤之间的潜在神经病理机制。

原文链接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhac299

本研究受国家重点研发计划（2017YFC1310100）、国家自然科学基金（82171175、82011530139、82001120）、山东第一医科大学学术提升计划（2019QL020、2020RC009）、山东省泰山学者项目（ts20190977、Tsqn201909182）、山东省自然科学基金（ZR2020QH098）以及瑞典研究理事会基金等多个项目的联合资助。

通讯作者杜怡峰

（照片提供自：杜怡峰/仇成轩课题组）

通讯作者课题组（上下滑动阅读） 

杜怡峰，山东第一医科大学附属省立医院神经内科主任，山东大学/山东第一医科大学博士生导师，二级教授，国家重点研发计划首席科学家，泰山学者特聘专家，长期致力于阿尔茨海默病早期防治工作，在Alzheimers & Dementia、Nature Communications、JAMA Neurology、Lancet Public Health等国际知名期刊发表学术论文200余篇。

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参考文献（上下滑动阅读） 

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2. Yu J, Zheng Y, Dong J, Klusza S, Deng WM and Pan D. Kibra functions as a tumor suppressor protein that regulates Hippo signaling in conjunction with Merlin and Expanded. Dev Cell. 2010;18:288-299.

3. Zhang L, Yang S, Wennmann DO, Chen Y, Kremerskothen J and Dong J. KIBRA: In the brain and beyond. Cell Signal. 2014;26:1392-1399.

4. Baumgartner R, Poernbacher I, Buser N, Hafen E and Stocker H. The WW domain protein Kibra acts upstream of Hippo in Drosophila. Dev Cell. 2010;18:309-316.

5. Li R, Wan W and Li J. KIBRA polymorphism modulates gray matter volume to influence cognitive ability in the elderly. Brain Imaging Behav. 2020;14:1388-1394.

6. Wang D, Hu L, Xu X, Ma X, Li Y, Liu Y, et al. KIBRA and APOE Gene Variants Affect Brain Functional Network Connectivity in Healthy Older People. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2019;74:1725-1733.

7. Karstensen HG, Vestergaard M, Baaré WFC, Skimminge A, Djurhuus B, Ellefsen B, et al. Congenital olfactory impairment is linked to cortical changes in prefrontal and limbic brain regions. Brain Imaging Behav. 2018;12:1569-1582.

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9. Rolls ET. Taste and smell processing in the brain. Handb Clin Neurol. 2019;164:97-118.

10.  Wang Y, Han X, Zhang X, Zhang Z, Cong L, Tang S, et al. Health status and risk profiles for brain aging of rural-dwelling older adults: Data from the interdisciplinary baseline assessments in MIND-China. Alzheimers Dement (N Y). 2022;8:e12254.

本文完