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Science Advances:年轻的 APOE ε4 携带者早期阿尔茨海默病的脑蛋白质组学特征确定了新的药物靶点

2021年11月,美国国立卫生研究院等单位的相关研究人员在《Science Advances》(IF: 14.1)上发表了题为“A brain proteomic signature of incipient Alzheimer’s disease in young APOE e4 carriers identifies novel drug targets”的研究论文,揭示了早期阿尔茨海默病的蛋白质组学特征并确定了三种靶向蛋白质的药物。

亮点概述:

  • 25 种独特的蛋白质定义了初始阿尔兹海默症(AD蛋白质组学特征这些蛋白质在年轻的 APOE ε带者中也失调

  • 这些特征蛋白质在来自人类研究的脑组织样本和使用正交蛋白质组学和转录组学方法的两个转基因 AD小鼠模型中得到了验证

  • 靶向三种蛋白质(STAT3YES1  FYN)的药物可以挽救与 AD 发病机制相关的不同分子表型

研究背景:

载脂蛋白E (APOE)基因的 ε4等位基因是散发性或迟发性阿尔茨海默病(AD)最强大的遗传风险因素。ε4等位基因杂合子携带者患AD的风险比非携带者高3到4倍,而纯合子个体患AD的风险比非携带者高10倍。APOE ε4携带者的AD发病年龄也更早。至今APOEε4相关AD发病风险的确切机制仍不清楚,基于APOE的AD治疗的前景仍未实现。

APOE ε4携带者在成年早期积累AD神经病变。一项神经影像学元分析显示,15%的非痴呆APOE ε4纯合个体在40岁时出现脑淀粉样蛋白积累。最近一项对年轻APOE ε4携带者的尸检研究显示,40-49岁的 ε4杂合子和 ε4纯合子个体中有40%以上的弥漫性脑淀粉样斑块,而非携带者的这一比例不到1%。这表明 APOE ε4 在疾病发作前几十年的生命历程中会增加 AD 风险。

然而,将 APOE 基因型与最终导致 AD 的病理学发展联系起来的潜在生物学途径仍然未知。确定在年轻的 APOE ε4 携带者中加速 AD 发病的精确生物学机制对于了解 APOE 相关的 AD 风险和 APOE 指导的 AD 治疗至关重要。

整个研究包含三个队列,巴尔的摩衰老纵向研究计划 (BLSA) 样本,宗教团体研究 (ROS) 样本,以及年轻的 APOE 尸检研究 (YAPS) 队列。为了确定 AD 的大脑蛋白质组学特征,研究人员比较了颞下回 (ITG) 和额中回 (MFG) 大脑区域中 ROS 和 BLSA 队列中 AD 和 正常对照(CN)个体之间的蛋白质水平。共有120 种独特的蛋白质在 ITG 或 MFG 中的 BLSA 和 ROS 中差异丰富。在这 120 种蛋白质中,与 CN 相比,84 种在 AD 中较低,34 种在 AD 中较高。只有2个在 ROS 和 BLSA 之间显示不一致的方向(即,在一个队列中更高,在另一个队列中更低)。

进一步分析发现,在 120 种蛋白质中,16 种和 14 种蛋白质分别在 ITG 和 MFG 中的 APOE ε4 携带者和非携带者之间显著失调,25 种独特的蛋白质定义了初始 AD 蛋白质组学特征,在这些蛋白质中,24 个在年轻的 APOE ε4 携带者中增加,而 1 个蛋白质相对于 APOE ε4 非携带者减少。对于 ITG 和 MFG 大脑区域中显着改变的蛋白质,YAPS 队列中的方向始终一致。在 25 种蛋白质中,只有一种蛋白质 (TBP) 显示 BLSA 和 ROS 之间的关联方向不一致。

识别初期的 AD 蛋白质组学特征

在ITG和MFG中,最初AD蛋白组特征的25个蛋白中,分别有11个和15个蛋白与神经纤维病理的严重程度显著相关(Braak评分),在BLSA和ROS队列中方向一致。分别有11个和 21个蛋白与神经炎斑块负荷的严重程度显着相关(CERAD 评分),在 ROS 和 BLSA 队列中方向一致。此外,在 ITG 或 MFG 中,最初AD 蛋白质组学特征中的 25 种蛋白质中有 20 种与来自 BLSA 或 ROS 的 AD 个体的 MMSE 评分的纵向轨迹显著相关。

初期 AD 蛋白质组学特征与 AD 病理严重程度和生前认知表现的纵向轨迹之间的关联

为了全面了解与年轻个体中 APOE ε4 携带者状态相关的蛋白质组学改变所涉及的分子途径和生物学功能,研究人员对数据集中包含的所有蛋白质进行了基因集合富集分析(GSEA)。在 YAPS 队列中,该分析在 ITG 或 MFG 中鉴定了 44 个显着富集的基因集。这些基因组中的大多数在 YAPS 队列中过表达,表明这些途径及其在年轻 APOE ε4 携带者中的生物学功能相对于非携带者上调。这些结果标志着几种生物学功能的改变,包括钙信号、突触传递、胰岛素信号、免疫反应和细胞-细胞粘附。使用在 YAPS 队列中分别针对 BLSA 和 ROS 分析的相同基因集进行了 GSEA。结果表明,YAPS 中 44 个显着富集的基因组中有 17 个在 BLSA 或 ROS 个体中也富集。

GSEA 可识别年轻 APOE ε4 携带者和 AD 中失调的通路

随后,研究人员在多个独立队列中验证了这些蛋白质,包括来自人类研究的脑组织样本和使用正交蛋白质组学和转录组学方法的两个转基因 AD 小鼠模型。主要通过脑匀浆中使用蛋白质印迹法验证初始 AD 蛋白质组学特征中的蛋白表达,使用免疫组织化学进行来自人脑初期 AD 特征的蛋白质的亚细胞定位。二次验证中,研究人员在独立样本中使用正交方法评估了初始 AD 蛋白质组学特征中包含的所有 25 种蛋白质。所有 25 种蛋白质在三个独立数据集中的至少一个中得到验证,25 种蛋白质中的 15 种在至少两个中得到验证。

初始 AD 蛋白质组学特征的二次验证

最后,为了测试针对初期 AD 特征蛋白的药物是否可能是合理的 AD 治疗,研究人员使用基于细胞培养的表型分析来评估它们影响与 AD 相关的分子结果的能力。结果发现,靶向三种蛋白质(STAT3、YES1 和 FYN)的药物可以挽救与 AD 发病机制相关的不同分子表型,包括脂多糖 (LPS) 诱导的神经炎症、tau 磷酸化和 Aβ分泌。

候选 AD 药物靶点的表型筛选

总之,该研究鉴定了 AD 的早期蛋白质标记物和 APOE ε4 携带者的几种生物途径中的失调,对初始 AD 特征中的蛋白质靶向药物的表型筛选表明,这些分子途径可能代表新的治疗靶点。这些发现可能为未来的研究铺平道路,以充分了解 APOE 相关 AD 风险的生物学基础,并开发针对该疾病最早分子驱动因素的有效干预措施。


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