前言

2022年2月，亞特蘭大埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Erik C. B. Johnson課題組在Nature neuroscience發(fā)表了題為 “Large-scale deep multi-layer analysis of Alzheimer’s disease brain reveals strong proteomic disease-related changes not observed at the RNA level”的研究成果，通過基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、TMT標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)的研究方法，揭示了新的與AD相關(guān)的蛋白共表達(dá)模塊，部分模塊在RNA的網(wǎng)絡(luò)中不存在。這為開發(fā)疾病治療的潛在靶點(diǎn)提供依據(jù)，為臨床的蛋白質(zhì)組研究提供重要價(jià)值。

基本信息

中文標(biāo)題：對(duì)阿爾茨海默病大腦的大規(guī)模深層多層分析揭示了在RNA水平上未觀察到的蛋白質(zhì)組學(xué)疾病相關(guān)變化

研究對(duì)象：人腦組織

發(fā)表期刊：Nature neuroscience

影響因子：24.884

發(fā)表時(shí)間：2022年2月

運(yùn)用生物技術(shù)：基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)

研究背景

研究阿爾茲海默癥的生物標(biāo)志物，開發(fā)治療藥物是AD的重要研究方向。目前對(duì)于影響AD大腦中的病理生理學(xué)的生物學(xué)過程并不清楚，應(yīng)用基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組與代謝組學(xué)技術(shù)可進(jìn)一步研究AD的發(fā)病機(jī)制。轉(zhuǎn)錄組學(xué)主要應(yīng)用于測(cè)量AD腦組織中的mRNA轉(zhuǎn)錄本，但通常是蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)參與調(diào)節(jié)的代謝途徑產(chǎn)生AD的生物效應(yīng)物。到目前為止蛋白質(zhì)組學(xué)相關(guān)的研究較少，在本文的研究中探討新的AD相關(guān)蛋白共表達(dá)模塊，結(jié)合基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等其他組學(xué)內(nèi)容，對(duì)AD蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，為蛋白質(zhì)組學(xué)中特有的疾病相關(guān)模塊提供治療靶點(diǎn)和生物標(biāo)志物挖掘。

研究思路

研究方法

1. 實(shí)驗(yàn)樣本：大腦背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）組織（n=516）

2. 實(shí)驗(yàn)分組

（1） ROSMAP組（n=84對(duì)照，n=148無(wú)癥狀A(yù)D，n=108AD）

（2） Banner組（n=26對(duì)照，n=58無(wú)癥狀A(yù)D，n=92AD）

研究結(jié)果

TMT 識(shí)別的 AD 蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)

實(shí)驗(yàn)分析了對(duì)照組、無(wú)癥狀A(yù)D (AsymAD)組和AD組大腦的總共516個(gè)背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）組織，使用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）算法（圖1b）由8600多個(gè)蛋白質(zhì)構(gòu)建 44 個(gè)模塊蛋白組成的蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，并通過GO分析確定生物學(xué)功能。十二個(gè)模塊與 AD 的相關(guān)性略強(qiáng)，其中四個(gè)模塊M5 突觸后密度，M7 MAPK 信號(hào)和代謝，M11 cell-ECM 相互作用和 M42 基質(zhì)體在十二個(gè)模塊中與 AD 神經(jīng)病理學(xué)或認(rèn)知最密切相關(guān)。

比較了對(duì)照、AsymAD 和 AD 病例中的蛋白模塊。與對(duì)照相比，AsymAD 中 12 個(gè)與 AD 顯著相關(guān)性的模塊中有 4 個(gè)顯著增加或顯著減少。AsymAD 中增加的模塊包括 M42 基質(zhì)體和 M11 cell-ECM 相互作用，而 AsymAD 中減少的模塊包括 M5 突觸后密度和 M8 蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)。與升高的 tau 微管結(jié)合域 (MTBR) 肽水平最密切相關(guān)的模塊是 M42 基質(zhì)體和 M11 細(xì)胞-ECM 模塊，而與 MTBR 負(fù)向相關(guān)最強(qiáng)烈的模塊是 M5 突觸后密度和 M1 和 M4突觸/神經(jīng)元模塊。其中一些新模塊在 AD 的早期階段也發(fā)生了改變，可能反映了在 AD 神經(jīng)病理學(xué)，認(rèn)知功能衰退之前出現(xiàn)的病理生理過程，并與 tau 失調(diào)相關(guān)。

圖1|TMT AD 蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)

跨隊(duì)列和大腦區(qū)域保留模塊

為了確定TMT AD蛋白網(wǎng)絡(luò)模塊是否也存在于其他的隊(duì)列和大腦區(qū)域，使用 TMT標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)多個(gè)隊(duì)列的所有組織，為每個(gè)隊(duì)列生成蛋白質(zhì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，并評(píng)估了 AD 網(wǎng)絡(luò)模塊是否保留在每個(gè)隊(duì)列和大腦區(qū)域中。發(fā)現(xiàn)幾乎所有的 TMT AD 網(wǎng)絡(luò)模塊都保留在隊(duì)列和大腦區(qū)域（圖2b）。

圖2|跨不同隊(duì)列、中心、方法和大腦區(qū)域的 TMT AD 網(wǎng)絡(luò)的保存

在轉(zhuǎn)錄組中未觀察到的模塊

為比較 RNA 和蛋白質(zhì) AD 共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)之間的異同，在 532 個(gè) ROSMAP DLPFC 組織中測(cè)量的 15,582 個(gè)轉(zhuǎn)錄本上生成了一個(gè) AD RNA 網(wǎng)絡(luò)，其中 168 個(gè)與 TMT AD 蛋白網(wǎng)絡(luò)的重疊（圖3a ）。發(fā)現(xiàn)多于一半的蛋白質(zhì)模塊保留在 RNA 網(wǎng)絡(luò)中。還有 18 個(gè)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模塊未保存在 RNA 網(wǎng)絡(luò)中，包括 AD 相關(guān)模塊 M7 MAPK/代謝、M24 泛素化、M29 糖基化/ER 和 M42 基質(zhì)體（圖3b）。其中M7 MAPK/代謝模塊保存最少，表明其對(duì)蛋白質(zhì)組的高度獨(dú)特性。

總之，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模塊與認(rèn)知功能的相關(guān)性比 RNA 網(wǎng)絡(luò)模塊更強(qiáng)，在大多數(shù)情況下，與病理學(xué)的相關(guān)性與 RNA 模塊相似。而一些特征轉(zhuǎn)錄物（例如 M7 MAPK/代謝）與蛋白質(zhì)相比表現(xiàn)出與 AD 的相反關(guān)系，這可能表明這些模塊蛋白在 RNA 水平上存在補(bǔ)償性調(diào)節(jié)機(jī)制。

圖3|TMT AD 蛋白網(wǎng)絡(luò)包含轉(zhuǎn)錄組中不存在的與 AD 相關(guān)的模塊

基質(zhì)體模塊蛋白水平受 APOE ε4 的影響

發(fā)現(xiàn)基于基因的關(guān)聯(lián)測(cè)試（GWAS圖4a），評(píng)估了TMT AD 網(wǎng)絡(luò)模塊與 AD 相關(guān)的基因位點(diǎn)關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn) M42 基質(zhì)體、M30 蛋白酶體和 M29 糖基化/ER 模塊顯著富集了 AD 風(fēng)險(xiǎn)基因， M7 MAPK/代謝模塊顯示出富集的趨勢(shì)。M42 的顯著富集是由模塊內(nèi)對(duì) AD 風(fēng)險(xiǎn)的影響很大的 ApoE 蛋白驅(qū)動(dòng)的。

總之，發(fā)現(xiàn)三個(gè) TMT AD 網(wǎng)絡(luò)模塊顯著富集了 AD 遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素，其中一個(gè)模塊（M42 基質(zhì)體）會(huì)受到APOE遺傳變異的影響，但與 ApoE 蛋白水平無(wú)關(guān)，尤其是在疾病的無(wú)癥狀階段（圖4）。

圖4|M42 matrisome 模塊富含 AD 遺傳風(fēng)險(xiǎn)，并因APOE ε4而增加

MAPK/代謝模塊與認(rèn)知功能相關(guān)

為進(jìn)一步探究TMT AD 網(wǎng)絡(luò)模塊與認(rèn)知功能的關(guān)聯(lián)，評(píng)估了哪些模塊與神經(jīng)病理學(xué)調(diào)整后的認(rèn)知功能呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的蛋白質(zhì)，如最近的一項(xiàng)蛋白質(zhì)組范圍的關(guān)聯(lián)研究 (PWAS) 所確定的。發(fā)現(xiàn) M7 MAPK/metabolism 和 M15 ambiguous是與認(rèn)知功能呈負(fù)相關(guān)的蛋白質(zhì)，而 M5 突觸后密度和 M8 蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)模塊是與認(rèn)知功能呈正相關(guān)的蛋白質(zhì)。

圖5|M7 MAPK/代謝模塊與認(rèn)知功能下降有關(guān)

研究討論

此研究構(gòu)建了蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)與AD密切相關(guān)的新的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模塊，有些模塊（如MAPK/代謝模塊）未保存在RNA的網(wǎng)絡(luò)中。結(jié)合多組學(xué)聯(lián)合結(jié)果，其中蛋白質(zhì)組學(xué)中特有的疾病相關(guān)模塊可作為生物標(biāo)志物成為AD有希望的治療靶點(diǎn)。

小鹿推薦

阿爾茨海默病(AD)是一種神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其病因至今尚不清楚。本文從蛋白組學(xué)方向出發(fā)，建立蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，綜合轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)果，解析疾病相關(guān)的蛋白組學(xué)模塊或能為AD提供可靠的生物標(biāo)志物，并為治療帶來(lái)希望。

文末看點(diǎn)｜lumingbio

上海鹿明生物科技有限公司多年來(lái)，一直專注于生命科學(xué)和生命技術(shù)領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)早期開展以蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)為基礎(chǔ)的多層組學(xué)整合實(shí)驗(yàn)與分析的團(tuán)隊(duì)。目前在多層組學(xué)研究已經(jīng)有了成熟的技術(shù)方法

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