新热点！连发Nat Genet & Nat Neurosci，PWAS揭示阿尔茨海默症全新机制

景杰学术 | 报道

 

在过去的十年里，GWAS技术的蓬勃发展深刻的扩展了我们对基础生物学的理解。GWAS，可快速获得影响目标性状表型变异的染色体区段或基因位点，广泛应用在包括常见的疾病（疾病的危险因素数量性状的表型）、动植物性状等研究中。

 

不过，传统 GWAS 分析主要通过直接分析 DNA 与表型性状之间的关联，而单纯基因组学研究，既难以确定具体功能突变，也无法解析突变如何影响性状的具体机制。

 

为了解决这个问题，以蛋白质组学为中心的全蛋白质组关联研究(Proteome-Wide Association Study, PWAS) 研究方法成为了GWAS之后新热点。它通过蛋白质的功能变化将基因和表型联系起来，在功能与机制研究领域表现出广泛的应用前景。

 

近日，PWAS最新研究成果，接连发表在国际专业学术期刊Nature Genetics (IF=27.603)与Nature Neuroscience (IF=20.071) 上。研究由美国埃默里大学医学院的神经生物学领域大咖Allan I. Levey教授、Thomas S. Wingo 教授、Aliza P. Wingo教授合作团队领衔完成，显示出PWAS的独特优势与广阔应用前景。

 

在发表于Nature Genetics 的研究中，研究人员运用PWAS，对376例大脑的背外侧前额叶皮层 (dPFC) 样本进行系统分析，与AD GWAS结果进行了整合，成功鉴定到通过影响脑蛋白丰度而导致AD风险的基因，并深入揭示了这些基因如何影响AD发生发展的新机制[1]。

而在发表于Nature Neuroscience的研究中，研究人员对438个大脑的背外侧前额叶皮层样本进行了全蛋白质组关联分析，鉴定到多个大脑动脉粥样硬化 (CA) 和阿尔茨海默症 (AD) 共有的蛋白质，进一步提示了CA与AD之间的潜在因果关系[2]。

   

01

全蛋白质组关联分析揭示阿尔茨海默症发病新机制

现有GWAS研究已经鉴定出许多阿尔茨海默症风险基因，但这些风险基因是如何导致阿尔茨海默症？相关信息我们依然知之有限。

 

为了鉴定到AD的关键基因，研究人员运用TMT蛋白质组技术 （质谱策略） ，对376例大脑的背外侧前额叶皮层 (dPFC) 样本 （样本策略） 进行系统分析，整合已有的AD GWAS结果，寻找与蛋白质水平相关的基因。PWAS结果鉴定到11个与AD发生相关的关键风险基因 （CTSH，DOC2A，ICA1L，LACTB，SNX32，ACE，CARHSP1，RTFDC1，STX6，STX4和PLEKHA1) ，并在随后的152例人脑蛋白质组PWAS中进行了验证。

 

图  11个与AD有明显因果关系的基因概述

 

PWAS分析得到的11个关键基因，其蛋白质水平与转录水平是否有相统一或相对应的关系呢？研究者收集到近900个欧洲个体的大脑转录组数据，将AD PWAS结果与之整合分析。并且结合单细胞RNA测序对其进行评估。结果显示，5个关键基因 （ACE，CARHSP1，SNX32，STX4和STX6） 的GWAS分析与PWAS结果呈现一致趋势。另外，结果还表明了不同基因的细胞类型的特异性，DOC2A、ICA1L、PLEKHA1和SNX32主要富集于兴奋性神经元，CARHSP1主要富集在少突胶质细胞中，而CTSH在星形胶质细胞和小胶质细胞中都有明显的富集。

 

图  不同基因的细胞类型特异性

 

总的来说，该研究通过多中心、大样本的基因组学和蛋白质组学研究，结合GWAS数据，挖掘到多个AD重要风险基因，能够通过改变大脑中蛋白质丰度进而影响AD的发生，为AD的发病机制提供了新的见解。

 

02

人脑动脉粥样硬化和阿尔茨海默症的共有蛋白质组效应

 

诸多研究表明人脑动脉粥样硬化 （CA） 与AD之间存在密切的潜在关系，但是相关研究还十分有限。

 

为了鉴定与CA相关的大脑蛋白质组的变化，研究人员首先运用TMT定量蛋白组技术 （质谱策略） ，对438个大脑的背外侧前额叶皮层样本 （样本策略） 进行了全蛋白质组关联分析 (PWAS) ，并对CA及其他8种年龄相关性脑病理 （Aβ、神经原纤维缠结、大梗死、微梗死、大脑淀粉样血管病、TDP-43、路易氏小体、以及海马硬化） 进行了详细的神经病理学的评估。

 

结果表明，114种蛋白质在CA中有差异表达 (P < 0.05) 。进一步的共表达分析与验证实验表明，CA与少突细胞的分化、发育和再髓鞘化相关性最强；与神经元和星形胶质细胞的RNA剪接和mRNA加工的相关性较弱，而与突触的信号传递、调节和可塑性的相关性更弱。

   

图  CA和AD的差异蛋白表达

 

那么，CA和AD之间是否有共同的机制？研究人员进一步对AD及AD标志物Aβ和神经原纤维缠结进行了PWAS和蛋白共表达网络分析。结果鉴定到23种AD和CA的共有蛋白 (P<0.05) ，而且这些蛋白在AD和CA中都呈现相似的变化趋势。对这23种蛋白的共表达分析表明，CA可能通过减少突触的信号传递、和可塑性，并通过增加大脑灰质中的髓鞘形成，从而影响AD的发生与发展。

 

图  蛋白共表达网络分析

 

总的来说，该文运用全蛋白质组关联分析，鉴定了与CA相关的一组蛋白，并且这些蛋白与AD有一定的相关性，阐明了两者之间的潜在因果关系，为CA与AD的临床诊断与治疗指明了方向。

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参考文献：

[1] Aliza P. Wingo, et al., 2021. Integrating human brain proteomes with genome-wide association data implicates new proteins in Alzheimer’s disease pathogenesis. Nature Genetics.

[2] Aliza P. Wingo, et al., 2020. Shared proteomic effects of cerebral atherosclerosis and Alzheimer’s disease on the human brain. Nature Neuroscience.

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