Nat Med：蛋白组学揭秘AD患者长达60年的演变特征

2024-03-30 01:03

Bringing medical advances from the lab to the clinic.

关键词：阿尔茨海默病；蛋白质组学；Nat Med

阿尔茨海默病（AD）的病理变化在认知症状出现前很多年就已出现，淀粉样β（Aβ）肽聚集成斑块和微管蛋白tau聚集成神经纤维缠结（NFT）这两个病理过程是该病的特征。虽然通过对死后脑组织进行多组学研究，AD 病理生理学的全貌已被广泛描述，但这些其他病理变化是如何随病程演变的目前尚不清楚。

致力于显性遗传阿尔茨海默氏症的全球研究组织--DIAN(Dominantly Inherited Alzheimer Network, DIAN)在Nature Medicine杂志上发表了一项非常重要的研究成果“Cerebrospinal fluid proteomics define the natural history of autosomal dominant Alzheimer’s disease”，描述了AD病理学在长达60年尺度上的演变特征【1】。

简单总结其结果，显示与Aβ斑块相关的SMOC1和SPON1蛋白在发病前近30年就在AD脑脊液（CSF）中升高，随后是突触蛋白、代谢蛋白、轴突蛋白、炎症蛋白的变化，最后是神经分泌蛋白水平的下降。在症状发作前，蛋白质组对突变携带者和非携带者的鉴别效果甚至优于Aβ和tau测量值。

这项研究结果突显了AD病理生理学的多面性及其时间演变，除了与Aβ和tau相关的生物标志物外，这些发现对于开发AD的精准治疗干预措施和早期标志物来说至关重要。

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主要研究思路

常染色体显性遗传性AD（ADAD）突变几乎具有100%外显率，而且根据基因突变的性质和家族血统，可高度预测无症状的发病年龄。因此，DIAN通过招募携带ADAD基因突变的个体，基于对他们及其非携带者家庭成员进行包括影像、认知、脑脊液和血浆等在内的多重评估，可以加深对AD自然发展史的了解。由于ADAD基因突变携带者的估计发病年份（EYO）相对精确，因此横断面研究评估可在纵向框架内提供有关AD生物标志物变化的极有价值的信息。

之前对散发性ADCSF进行的蛋白质组学研究发现，在疾病晚期，当患者认知功能受损时，多种蛋白质会发生改变，这些蛋白质已在多个队列中得到验证。基于这些在晚发性AD（LOAD）中的发现，DIAN创建了一个包含59种蛋白质的面板，并使用一种称为选择反应监测质谱法（SRM-MS）【2, 3】的靶向定量质谱方法测量了286例ADAD基因突变携带者和184例非携带者在整个EYO连续体中的CSF水平。

主要研究结果

1.蛋白质组学确定了AD疾病演变过程中五类标志物

研究者采用贝叶斯回归模型结合马尔可夫链蒙特卡洛算法估计了突变携带者与非携带者在-30至-40和+20至+30之间0.5EYO间隔内的蛋白质水平和其他结果差异。在通过SRM-MS测定的59种蛋白质中，有33种蛋白质在某些EYO时间点上在ADAD突变携带者和非携带者之间的99%可信区间内存在显著差异，其中大多数蛋白质在症状出现之前就发生了变化。

根据演变过程，可以将这些蛋白划分为以下几类：第一类的特征是与AD大脑相关的蛋白共表达模块，之前的工作称之为“M42基质体（与细胞外基质相关的蛋白集合）”模块【4】，其中一种蛋白是APOE，其遗传变异已被证明会影响大脑内M42基质体水平。值得注意的是，SMOC1-M42基质共表达的主要驱动因子--被发现在突变携带者发病前29年就已升高，并在整个病程中逐渐升高。下图展示了Aβ42/40比值和SMOC1这两个指标的模型拟合情况以及携带者与非携带者之间的差异，与非携带者相比，SMOC1水平的增加先于CSF Aβ42或Aβ42/40比值绝对水平的显著下降，也先于pTau181和pTau217的升高。

图1. ADAD患者脑脊液中Aβ42/40比值及SMOC1水平。

第二类蛋白的特征是与突触和神经元共表达相关的YWHAZ（1433Z）、YWHAB（1433B）和YWHAG（1433G）的14-3-3蛋白家族的增加，以及与中间糖酵解代谢相关的多种蛋白质如丙酮酸激酶。有趣的是，虽然14-3-3蛋白在大约-26至-22EYO时显著升高，但直到-8EYO时它们的水平才开始迅速增加，而神经丝蛋白轻链（NEFL），一种众所周知的中枢和外周神经系统疾病的神经变性标志物大约也是在这个时间开始增加的。此外，参与糖代谢的蛋白质的早期升高并没有在整个病程中持续，大约在-17EYO时达到峰值，随后一段时间的水平与非携带者相似，直到症状发作前后水平再次升高。早期的糖代谢变化与其他蛋白质标记物的升高有关，这些标记物可能反映了早期的代偿性神经保护反应。

第三类蛋白可从大约-19EYO得到鉴定，总tau（t-Tau）和pTau205水平升高，随后不久，与小胶质细胞活化相关的髓样细胞上表达的触发受体2（c-sTREM2）的可溶性裂解形式轻度升高，并最终从-10EYO开始出现NEFL升高。pTau205和NEFL水平的升高与白质和轴突完整性的丧失有关，而t-Tau和pTau205水平升高与NEFL水平升高之间的时间跨度将近10年，表明轴突和白质的变化经历了一个漫长的演变过程。

在NEFL水平升高之后，大约在-6EYO时开始出现第四类变化，其特征是炎症蛋白骨桥蛋白（SPP1，与T淋巴细胞和小胶质细胞的活化有关）、几丁质酶-3样蛋白1（CHI3L1，又称YKL-40，与星形胶质细胞的活化有关）的升高，以及c-sTREM2更剧烈的升高。这些炎症性变化与严重的代谢损伤和认知能力开始下降相吻合。第五类也是最后一类变化包括开始出现脑萎缩以及神经元和神经分泌肽的减少。

图2. ADAD中根据估计发病年龄（EYO）对生物标志物变化的五种分类。

2.蛋白质组能在症状出现前强烈区分突变携带者和非携带者

SMOC1和在ADAD基因突变携带者中显著改变的33个目标蛋白质具有在整个疾病过程中正确区分携带者和非携带者的能力，与淀粉样蛋白和tau生物标记物相比，SMOC1和蛋白质组综合测量结果都更优（尤其是在疾病的早期阶段）。

图3. 疾病演变过程中生物标志物的变化（注意：y轴描述的变化幅度是任意的，不同生物标志物类别之间的变化幅度不可比较）

编者按：

这项研究利用靶向蛋白质组学将阿尔茨海默病（AD）脑脊液(CSF) 中生物标志物的变化与60年间大脑病理变化联系起来，表明至少有三个关键时期可以对AD进行治疗干预：

（1）淀粉样斑块形成开始于认知症状出现前30年；

（2）轴突和白质完整性问题开始于症状出现前19年；

（3）强烈的炎症反应开始于症状出现前6年，是认知功能下降和皮质萎缩的临近阶段。

针对每一类病理变化进行治疗干预，可能会在这些病理变化发生之前、发生之时或临近发生之时最为成功。一旦患者出现症状，就可能需要采取多靶点治疗方法，以最佳方式减缓疾病的进展。

希望这篇文章为您提供了有益的思考！

参考文献：

【1】 Johnson ECB, et al; Dominantly Inherited Alzheimer Network. Cerebrospinal fluid proteomics define the natural history of autosomal dominant Alzheimer's disease. Nat Med. 2023 Aug;29(8):1979-1988. doi: 10.1038/s41591-023-02476-4. Epub 2023 Aug 7. PMID: 37550416; PMCID: PMC10427428.

【2】 Spellman, D. S. et al. Development and evaluation of a multiplexed mass spectrometry based assay for measuring candidate peptide biomarkers in Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) CSF. Proteomics Clin. Appl. 9, 715–731 (2015).

【3】 Gillette, M. A. & Carr, S. A. Quantitative analysis of peptides and proteins in biomedicine by targeted mass spectrometry. Nat. Methods 10, 28–34 (2013).

【4】 Johnson, E. C. B. et al. Large-scale deep multi-layer analysis of Alzheimer’s disease brain reveals strong proteomic disease-related changes not observed at the RNA level. Nat. Neurosci. 25, 213–225 (2022).

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