超千例大队列脑蛋白质组学研究成果，绘制阿尔兹海默深度图谱！

前言

2022年2月，亚特兰大埃默里大学医学院的Erik C. B. Johnson课题组在Nature neuroscience发表了题为 “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，通过基因组学、转录组学、TMT标记定量蛋白质组学、代谢组学的研究方法，揭示了新的与AD相关的蛋白共表达模块，部分模块在RNA的网络中不存在。这为开发疾病治疗的潜在靶点提供依据，为临床的蛋白质组研究提供重要价值。

基本信息

中文标题：对阿尔茨海默病大脑的大规模深层多层分析揭示了在RNA水平上未观察到的蛋白质组学疾病相关变化

研究对象：人脑组织

发表期刊：Nature neuroscience

影响因子：24.884

发表时间：2022年2月

运用生物技术：基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学

研究背景

研究阿尔兹海默症的生物标志物，开发治疗药物是AD的重要研究方向。目前对于影响AD大脑中的病理生理学的生物学过程并不清楚，应用基因组、转录组、蛋白质组与代谢组学技术可进一步研究AD的发病机制。转录组学主要应用于测量AD脑组织中的mRNA转录本，但通常是蛋白质和蛋白质参与调节的代谢途径产生AD的生物效应物。到目前为止蛋白质组学相关的研究较少，在本文的研究中探讨新的AD相关蛋白共表达模块，结合基因组和转录组学等其他组学内容，对AD蛋白质网络进行分析，为蛋白质组学中特有的疾病相关模块提供治疗靶点和生物标志物挖掘。

研究思路

研究方法

1. 实验样本：大脑背外侧前额叶皮层（DLPFC）组织（n=516）

2. 实验分组

（1） ROSMAP组（n=84对照，n=148无症状AD，n=108AD）

（2） Banner组（n=26对照，n=58无症状AD，n=92AD）

研究结果

TMT 识别的 AD 蛋白共表达网络

实验分析了对照组、无症状AD (AsymAD)组和AD组大脑的总共516个背外侧前额叶皮层（DLPFC）组织，使用加权基因共表达网络分析（WGCNA）算法（图1b）由8600多个蛋白质构建 44 个模块蛋白组成的蛋白共表达网络，并通过GO分析确定生物学功能。十二个模块与 AD 的相关性略强，其中四个模块M5 突触后密度，M7 MAPK 信号和代谢，M11 cell-ECM 相互作用和 M42 基质体在十二个模块中与 AD 神经病理学或认知最密切相关。

比较了对照、AsymAD 和 AD 病例中的蛋白模块。与对照相比，AsymAD 中 12 个与 AD 显著相关性的模块中有 4 个显著增加或显著减少。AsymAD 中增加的模块包括 M42 基质体和 M11 cell-ECM 相互作用，而 AsymAD 中减少的模块包括 M5 突触后密度和 M8 蛋白转运。与升高的 tau 微管结合域 (MTBR) 肽水平最密切相关的模块是 M42 基质体和 M11 细胞-ECM 模块，而与 MTBR 负向相关最强烈的模块是 M5 突触后密度和 M1 和 M4突触/神经元模块。其中一些新模块在 AD 的早期阶段也发生了改变，可能反映了在 AD 神经病理学，认知功能衰退之前出现的病理生理过程，并与 tau 失调相关。

图1|TMT AD 蛋白共表达网络

跨队列和大脑区域保留模块

为了确定TMT AD蛋白网络模块是否也存在于其他的队列和大脑区域，使用 TMT标记定量蛋白质组学多个队列的所有组织，为每个队列生成蛋白质共表达网络，并评估了 AD 网络模块是否保留在每个队列和大脑区域中。发现几乎所有的 TMT AD 网络模块都保留在队列和大脑区域（图2b）。

图2|跨不同队列、中心、方法和大脑区域的 TMT AD 网络的保存

在转录组中未观察到的模块

为比较 RNA 和蛋白质 AD 共表达网络之间的异同，在 532 个 ROSMAP DLPFC 组织中测量的 15,582 个转录本上生成了一个 AD RNA 网络，其中 168 个与 TMT AD 蛋白网络的重叠（图3a ）。发现多于一半的蛋白质模块保留在 RNA 网络中。还有 18 个蛋白质网络模块未保存在 RNA 网络中，包括 AD 相关模块 M7 MAPK/代谢、M24 泛素化、M29 糖基化/ER 和 M42 基质体（图3b）。其中M7 MAPK/代谢模块保存最少，表明其对蛋白质组的高度独特性。

总之，发现蛋白质网络模块与认知功能的相关性比 RNA 网络模块更强，在大多数情况下，与病理学的相关性与 RNA 模块相似。而一些特征转录物（例如 M7 MAPK/代谢）与蛋白质相比表现出与 AD 的相反关系，这可能表明这些模块蛋白在 RNA 水平上存在补偿性调节机制。

图3|TMT AD 蛋白网络包含转录组中不存在的与 AD 相关的模块

基质体模块蛋白水平受 APOE ε4 的影响

发现基于基因的关联测试（GWAS图4a），评估了TMT AD 网络模块与 AD 相关的基因位点关联，发现 M42 基质体、M30 蛋白酶体和 M29 糖基化/ER 模块显着富集了 AD 风险基因， M7 MAPK/代谢模块显示出富集的趋势。M42 的显著富集是由模块内对 AD 风险的影响很大的 ApoE 蛋白驱动的。

总之，发现三个 TMT AD 网络模块显着富集了 AD 遗传风险因素，其中一个模块（M42 基质体）会受到APOE遗传变异的影响，但与 ApoE 蛋白水平无关，尤其是在疾病的无症状阶段（图4）。

图4|M42 matrisome 模块富含 AD 遗传风险，并因APOE ε4而增加

MAPK/代谢模块与认知功能相关

为进一步探究TMT AD 网络模块与认知功能的关联，评估了哪些模块与神经病理学调整后的认知功能呈正相关或负相关的蛋白质，如最近的一项蛋白质组范围的关联研究 (PWAS) 所确定的。发现 M7 MAPK/metabolism 和 M15 ambiguous是与认知功能呈负相关的蛋白质，而 M5 突触后密度和 M8 蛋白质转运模块是与认知功能呈正相关的蛋白质。

图5|M7 MAPK/代谢模块与认知功能下降有关

研究讨论

此研究构建了蛋白共表达网络，发现与AD密切相关的新的蛋白质网络模块，有些模块（如MAPK/代谢模块）未保存在RNA的网络中。结合多组学联合结果，其中蛋白质组学中特有的疾病相关模块可作为生物标志物成为AD有希望的治疗靶点。

小鹿推荐

阿尔茨海默病(AD)是一种神经系统退行性疾病，其病因至今尚不清楚。本文从蛋白组学方向出发，建立蛋白共表达网络，综合转录组学结果，解析疾病相关的蛋白组学模块或能为AD提供可靠的生物标志物，并为治疗带来希望。

文末看点｜lumingbio

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