帶你了解阿茲海默癥腦組織與腦脊液的大規(guī)模蛋白質(zhì)組學(xué)分析研究。

阿爾茨海默病 (AD) 作為影響著世界百分之9的人口的癡呆癥，是老年人群中常見的神經(jīng)變性病，隨著全球預(yù)期壽命的增加，其患病率也越來越高。雖然目前確認(rèn)阿爾茨海默病 (AD）是基于新皮質(zhì)內(nèi)的β淀粉蛋白斑塊沉積和Tau蛋白形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)，但除了β淀粉蛋白斑塊沉積和Tau蛋白形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)之外，對(duì)阿爾茲海默?。ˋD) 的病理生理學(xué)機(jī)制的了解仍不完全。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為阿爾茲海默癥的研究提供了有力的武器，同時(shí)蛋白質(zhì)共表達(dá)分析是了解人體組織中生物網(wǎng)絡(luò)、通路和細(xì)胞類型變化的有力工具。共表達(dá)的蛋白群體可以與疾病過程相關(guān)聯(lián)，并且這些共表達(dá)模塊中很強(qiáng)相關(guān)的蛋白質(zhì)與核心蛋白富集在疾病發(fā)病機(jī)制的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素中。因此，針對(duì)與疾病生物學(xué)相關(guān)的蛋白質(zhì)共表達(dá)模塊中的核心蛋白進(jìn)行研究可以作為藥物和生物標(biāo)志物開發(fā)的一種方法。

接下來這篇發(fā)表于國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊Nature Medicine (IF =36.13）的題為“Large-scale proteomic analysis of Alzheimer's disease brain and cerebrospinal fluid reveals early changes in energy metabolism associated with microglia and astrocyte activation”的研究報(bào)告中，研究人員運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)、共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析、和靶向蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)（PRM）對(duì)健康人和患有阿茲海默癥患者的2,000多個(gè)人腦組織樣本和近400個(gè)腦脊液樣本進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究確定了反映大腦生物過程的關(guān)鍵蛋白質(zhì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，為阿爾茲海默癥的臨床診治提供了新的治療靶標(biāo)和生物標(biāo)志物。

案例

標(biāo)題

Large-scale proteomic analysis of Alzheimer's disease brain and cerebrospinal fluid reveals early changes in energy metabolism associated with microglia and astrocyte activation.

期刊

Nature Medicine (IF =36.13)

研究目的

確定了反映大腦生物過程的關(guān)鍵蛋白質(zhì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，為阿爾茲海默癥的臨床診治提供新的治療靶標(biāo)和生物標(biāo)志物。

實(shí)驗(yàn)樣本

共453例正常人（Cntl)、無認(rèn)知障礙AD(AsymAD）以及有認(rèn)知障礙AD(AD）的阿爾茲海默癥患者的腦前額葉背外側(cè)皮質(zhì)組織樣本。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究內(nèi)容

研究人員首先運(yùn)用Label-Free蛋白質(zhì)組定量方法，對(duì)一共453例正常人（Cntl)、無認(rèn)知障礙AD(AsymAD）以及有認(rèn)知障礙AD(AD）的阿爾茲海默癥患者的腦前額葉背外側(cè)皮質(zhì)組織樣本（DLPFC）進(jìn)行定量分析。共鑒定到5688個(gè)蛋白。

通過回歸分析消除了年齡、性別和死后間隔（PMI）對(duì)蛋白質(zhì)定量數(shù)據(jù)的影響，確定了3334個(gè)蛋白利用加權(quán)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析算法構(gòu)建蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。為了評(píng)估這些共表達(dá)模塊是否與AD相關(guān)，將模塊蛋白表達(dá)水平與AD、β淀粉蛋白斑塊和神經(jīng)纖維纏結(jié)的神經(jīng)性病理學(xué)特征相關(guān)聯(lián)。觀察到有六個(gè)模塊與所有病理、認(rèn)知和功能測量顯著相關(guān)分別是：M1突觸模塊、M3線粒體模塊、M4糖代謝模塊、M5細(xì)胞外基質(zhì)模塊、M6細(xì)胞骨架模塊和M10 RNA結(jié)合/剪接模塊。其中M4糖代謝模塊顯示出強(qiáng)的AD性狀相關(guān)性。因?yàn)榇竽X中許多蛋白質(zhì)共表達(dá)的改變可以由細(xì)胞類型的改變驅(qū)動(dòng)，因此分析了每個(gè)共表達(dá)模塊是否富集在特定的細(xì)胞類型中。同時(shí)將每個(gè)模塊的細(xì)胞類型特性納入到描述之中，將這些細(xì)胞類型豐富的模塊稱為“M1突觸/神經(jīng)元”模塊、“M2髓鞘/少突膠質(zhì)細(xì)胞”模塊、“M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝”模塊和“M5內(nèi)皮/微細(xì)胞外基質(zhì)”模塊。進(jìn)一步研究表明在AD臨床前期的病理過程中，M3線粒體和M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊的病理狀態(tài)差異很大。

而后為了驗(yàn)證AD相關(guān)的蛋白網(wǎng)絡(luò)，研究人員進(jìn)一步應(yīng)用TMT標(biāo)記蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)（n=340），和靶向蛋白質(zhì)組學(xué)定量技術(shù)（n=1,016）進(jìn)行定量分析，結(jié)果證實(shí)了兩者的一致性。到這里作者通過對(duì)來自多個(gè)機(jī)構(gòu)的 450 多個(gè)阿爾茲海默癥患者的腦前額葉背外側(cè)皮質(zhì)組織樣本（DLPFC）的基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)分析構(gòu)建一個(gè)AD 蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。發(fā)現(xiàn)許多模塊與 AD 神經(jīng)病理學(xué)和認(rèn)知功能相關(guān)，反映了許多不同的生物學(xué)過程和細(xì)胞類型，并且在 AD 的臨床前階段發(fā)生了改變。

之前的分析基于大腦前額葉背外側(cè)皮質(zhì)（DLPFC）組織樣本，為了進(jìn)一步評(píng)估蛋白質(zhì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)在其他腦區(qū)是否相似，研究人員對(duì)110例AD患者的腦顳葉皮質(zhì)、楔前葉組織樣本使用 LFQ-MS，為每個(gè)大腦區(qū)域建立了共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)。發(fā)現(xiàn)所有來源于DLPFC的一致性AD蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)模塊都保存在顳葉皮層，13個(gè)模塊中有12個(gè)保存在前丘腦，表明AD蛋白共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)在AD中受共同影響的腦區(qū)普遍存在。

AD是老年人群中常見的神經(jīng)變性病，因此年齡的增長也是導(dǎo)致AD相關(guān)因素，為了更好地了解衰老可能對(duì)共識(shí) AD 網(wǎng)絡(luò)的影響，作者分析了84 例 30 至 69 歲的 DLPFC 組織以評(píng)估衰老對(duì)蛋白質(zhì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的影響。結(jié)果表明M1突觸/神經(jīng)元和M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊分別隨著年齡的增長而減少和增加，而M3線粒體和M10 RNA結(jié)合/剪接模塊則不受年齡的影響。其他受到衰老影響的模塊包括M6細(xì)胞骨架、M7翻譯/核糖體和M9翻譯/核糖體模塊。這些發(fā)現(xiàn)表明，在蛋白質(zhì)組水平上，衰老與AD的關(guān)系是復(fù)雜的，一些（但不是全部）AD相關(guān)的蛋白質(zhì)組共表達(dá)模塊受衰老過程的影響。

為了進(jìn)一步探討這些蛋白質(zhì)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)對(duì)AD的特異性，通過 LFQ-MS 分析了331 個(gè) DLPFC 組織來自對(duì)照、AD、肌萎縮側(cè)索硬化癥 (ALS)、伴有 TDP-43 病理的額顳葉變性 (FTLD-TDP)、進(jìn)行性核上性麻痹（ PSP)、皮質(zhì)基底節(jié)變性 (CBD)、帕金森病與帕金森病癡呆 (PD/PDD) 以及多系統(tǒng)萎縮 (MSA) 病例以評(píng)估與 AD 相比，共識(shí) AD 網(wǎng)絡(luò)模塊在這些不同的神經(jīng)退行性疾病中是否發(fā)生了變化。發(fā)現(xiàn) M1 突觸/神經(jīng)元和 M4 星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊在 FTLD-TDP 和 CBD 病例中表現(xiàn)出顯著變化，類似于 AD，而 M3 線粒體和 M10 RNA 結(jié)合/剪接模塊在其他疾病中表現(xiàn)出更多混合變化。同時(shí)結(jié)合靶向定量蛋白質(zhì)組學(xué)PRM技術(shù)驗(yàn)證。結(jié)果表明所有病例的蛋白質(zhì)水平在LFQ和PRM測量之間高度相關(guān)，表明組學(xué)結(jié)果和PRM靶向驗(yàn)證結(jié)果具有很好的一致性。接下來作者采用GWAS分析AD模塊蛋白是否為AD疾病相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因子，分析發(fā)現(xiàn)模塊M2和M4模塊與AD疾病風(fēng)險(xiǎn)顯著相關(guān)，表明這些蛋白共表達(dá)模塊所反應(yīng)的生物功能或過程可能在AD中起致病作用。鑒于M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊與AD有很強(qiáng)的相關(guān)性，便對(duì)該模塊進(jìn)行深入研究。發(fā)現(xiàn) M4 星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊富含 AD 遺傳風(fēng)險(xiǎn)因素，并且 M4 內(nèi)的蛋白markers通過表達(dá)上調(diào)來響應(yīng)β淀粉蛋白斑塊沉積，表達(dá)下調(diào)來發(fā)揮抗炎癥作用。

為探索M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊中的蛋白質(zhì)是否可以作為AD體液樣本的生物標(biāo)志物，作者分析了兩個(gè)隊(duì)列【一個(gè)由 297 名受試者組成的隊(duì)列，由對(duì)照組和 AD 患者組成（隊(duì)列 1），另一個(gè)96 名受試者的隊(duì)列，分為對(duì)照組、AsymAD 和 AD（隊(duì)列 2）】的腦脊液（CSF）樣本的TMT標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)。在隊(duì)列1中，觀察到22個(gè)蛋白映射到M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊。其中CD44、PRDX1、DDAH2、LDHB和PKM蛋白顯著差異性表達(dá)。在隊(duì)列2中，27個(gè)蛋白映射到M4星形膠質(zhì)細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞代謝模塊。其中17個(gè)蛋白與隊(duì)列1中重合，且在AD-CSF中表現(xiàn)出相同的表達(dá)趨勢，在AsymAD患者的CD44、LDHB和PKM也出現(xiàn)顯著或趨勢性升高，并與認(rèn)知功能相關(guān)。

結(jié)合結(jié)果來看M4模塊中CD44、PRDX1和DDAH2蛋白在AsymAD和AD患者中的表達(dá)顯著升高，可在疾病早期作為AD體液樣本中的生物標(biāo)志物提示疾病存在?；谶@些數(shù)據(jù)和分析，研究人員可以從中找出能夠治療和預(yù)防AD的新靶點(diǎn)，或是開發(fā)液體檢測可用的生物標(biāo)記物。