北京多组学联合分析带你了解阿兹海默症脑组织与脑脊液的大规模蛋白质组学分析研究。

阿尔茨海默病 (AD) 作为影响着世界百分之9的人口的痴呆症，是老年人群中常见的神经变性病，随着全球预期寿命的增加，其患病率也越来越高。虽然目前确认阿尔茨海默病 (AD）是基于新皮质内的β淀粉蛋白斑块沉积和Tau蛋白形成的神经原纤维缠结，但除了β淀粉蛋白斑块沉积和Tau蛋白形成的神经原纤维缠结之外，对阿尔兹海默病（AD) 的病理生理学机制的了解仍不完全。蛋白质组学技术的发展，为阿尔兹海默症的研究提供了有力的武器，同时蛋白质共表达分析是了解人体组织中生物网络、通路和细胞类型变化的有力工具。共表达的蛋白群体可以与疾病过程相关联，并且这些共表达模块中很强相关的蛋白质与核心蛋白富集在疾病发病机制的关键驱动因素中。因此，针对与疾病生物学相关的蛋白质共表达模块中的核心蛋白进行研究可以作为药物和生物标志物开发的一种方法。

接下来这篇发表于国际专业学术期刊Nature Medicine (IF =36.13）的题为“Large-scale proteomic analysis of Alzheimer's disease brain and cerebrospinal fluid reveals early changes in energy metabolism associated with microglia and astrocyte activation”的研究报告中，研究人员运用蛋白质组学技术、共表达网络分析、和靶向蛋白质组学技术（PRM）对健康人和患有阿兹海默症患者的2,000多个人脑组织样本和近400个脑脊液样本进行系统分析，研究确定了反映大脑生物过程的关键蛋白质共表达网络，为阿尔兹海默症的临床诊治提供了新的治疗靶标和生物标志物。

 

 

 

 

案例

标题

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

确定了反映大脑生物过程的关键蛋白质共表达网络，为阿尔兹海默症的临床诊治提供新的治疗靶标和生物标志物。

实验样本

共453例正常人（Cntl)、无认知障碍AD(AsymAD）以及有认知障碍AD(AD）的阿尔兹海默症患者的脑前额叶背外侧皮质组织样本。

实验设计

 

 

 

 

 

 

 

 

研究内容

研究人员首先运用Label-Free蛋白质组定量方法，对一共453例正常人（Cntl)、无认知障碍AD(AsymAD）以及有认知障碍AD(AD）的阿尔兹海默症患者的脑前额叶背外侧皮质组织样本（DLPFC）进行定量分析。共鉴定到5688个蛋白。

 

 

 

 

通过回归分析消除了年龄、性别和死后间隔（PMI）对蛋白质定量数据的影响，确定了3334个蛋白利用加权相关网络分析算法构建蛋白共表达网络。为了评估这些共表达模块是否与AD相关，将模块蛋白表达水平与AD、β淀粉蛋白斑块和神经纤维缠结的神经性病理学特征相关联。观察到有六个模块与所有病理、认知和功能测量显著相关分别是：M1突触模块、M3线粒体模块、M4糖代谢模块、M5细胞外基质模块、M6细胞骨架模块和M10 RNA结合/剪接模块。其中M4糖代谢模块显示出强的AD性状相关性。因为大脑中许多蛋白质共表达的改变可以由细胞类型的改变驱动，因此分析了每个共表达模块是否富集在特定的细胞类型中。同时将每个模块的细胞类型特性纳入到描述之中，将这些细胞类型丰富的模块称为“M1突触/神经元”模块、“M2髓鞘/少突胶质细胞”模块、“M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢”模块和“M5内皮/微细胞外基质”模块。进一步研究表明在AD临床前期的病理过程中，M3线粒体和M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块的病理状态差异很大。

 

 

 

 

而后为了验证AD相关的蛋白网络，研究人员进一步应用TMT标记蛋白质组学技术（n=340），和靶向蛋白质组学定量技术（n=1,016）进行定量分析，结果证实了两者的一致性。到这里作者通过对来自多个机构的 450 多个阿尔兹海默症患者的脑前额叶背外侧皮质组织样本（DLPFC）的基于质谱的蛋白质组学分析构建一个AD 蛋白共表达网络。发现许多模块与 AD 神经病理学和认知功能相关，反映了许多不同的生物学过程和细胞类型，并且在 AD 的临床前阶段发生了改变。

之前的分析基于大脑前额叶背外侧皮质（DLPFC）组织样本，为了进一步评估蛋白质共表达网络在其他脑区是否相似，研究人员对110例AD患者的脑颞叶皮质、楔前叶组织样本使用 LFQ-MS，为每个大脑区域建立了共表达网络。发现所有来源于DLPFC的一致性AD蛋白共表达网络模块都保存在颞叶皮层，13个模块中有12个保存在前丘脑，表明AD蛋白共表达网络在AD中受共同影响的脑区普遍存在。

 

 

 

 

AD是老年人群中常见的神经变性病，因此年龄的增长也是导致AD相关因素，为了更好地了解衰老可能对共识 AD 网络的影响，作者分析了84 例 30 至 69 岁的 DLPFC 组织以评估衰老对蛋白质共表达网络的影响。结果表明M1突触/神经元和M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块分别随着年龄的增长而减少和增加，而M3线粒体和M10 RNA结合/剪接模块则不受年龄的影响。其他受到衰老影响的模块包括M6细胞骨架、M7翻译/核糖体和M9翻译/核糖体模块。这些发现表明，在蛋白质组水平上，衰老与AD的关系是复杂的，一些（但不是全部）AD相关的蛋白质组共表达模块受衰老过程的影响。

 

 

 

 

为了进一步探讨这些蛋白质共表达网络对AD的特异性，通过 LFQ-MS 分析了331 个 DLPFC 组织来自对照、AD、肌萎缩侧索硬化症 (ALS)、伴有 TDP-43 病理的额颞叶变性 (FTLD-TDP)、进行性核上性麻痹（ PSP)、皮质基底节变性 (CBD)、帕金森病与帕金森病痴呆 (PD/PDD) 以及多系统萎缩 (MSA) 病例以评估与 AD 相比，共识 AD 网络模块在这些不同的神经退行性疾病中是否发生了变化。发现 M1 突触/神经元和 M4 星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块在 FTLD-TDP 和 CBD 病例中表现出显著变化，类似于 AD，而 M3 线粒体和 M10 RNA 结合/剪接模块在其他疾病中表现出更多混合变化。同时结合靶向定量蛋白质组学PRM技术验证。结果表明所有病例的蛋白质水平在LFQ和PRM测量之间高度相关，表明组学结果和PRM靶向验证结果具有很好的一致性。接下来作者采用GWAS分析AD模块蛋白是否为AD疾病相关的风险因子，分析发现模块M2和M4模块与AD疾病风险显著相关，表明这些蛋白共表达模块所反应的生物功能或过程可能在AD中起致病作用。鉴于M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块与AD有很强的相关性，便对该模块进行深入研究。发现 M4 星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块富含 AD 遗传风险因素，并且 M4 内的蛋白markers通过表达上调来响应β淀粉蛋白斑块沉积，表达下调来发挥抗炎症作用。

 

 

 

 

为探索M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块中的蛋白质是否可以作为AD体液样本的生物标志物，作者分析了两个队列【一个由 297 名受试者组成的队列，由对照组和 AD 患者组成（队列 1），另一个96 名受试者的队列，分为对照组、AsymAD 和 AD（队列 2）】的脑脊液（CSF）样本的TMT标记定量蛋白质组学。在队列1中，观察到22个蛋白映射到M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块。其中CD44、PRDX1、DDAH2、LDHB和PKM蛋白显著差异性表达。在队列2中，27个蛋白映射到M4星形胶质细胞/小胶质细胞代谢模块。其中17个蛋白与队列1中重合，且在AD-CSF中表现出相同的表达趋势，在AsymAD患者的CD44、LDHB和PKM也出现显著或趋势性升高，并与认知功能相关。

 

 

 

 

结合结果来看M4模块中CD44、PRDX1和DDAH2蛋白在AsymAD和AD患者中的表达显著升高，可在疾病早期作为AD体液样本中的生物标志物提示疾病存在。基于这些数据和分析，研究人员可以从中找出能够治疗和预防AD的新靶点，或是开发液体检测可用的生物标记物。