文献分享：Nature Aging｜ 脑脊液蛋白组学揭示阿尔茨默病的5种分子亚型

2024年9月21日，是第31个世界阿尔茨默病日，据世界卫生组织估计，2019年，全球约5500万人有认知症，预计到2050年，这一数字将增加至1.39亿。

近日，贝蒂·蒂姆斯（Betty M.Tijms）教授团队在著名期刊《Nature Aging》上发布，IF=17，发表题目为“Cerebrospinal fluid proteomics in patientswith Alzheimer’s disease reveals fivemolecular subtypes with distinct geneticrisk profiles”。改文章主要阐述了通过大规模脑脊液蛋白组学研究确定5种具有不同遗传风险特征的AD分子亚型，这些AD亚型的蛋白质水平变化与不同的分子过程有关。

阿尔茨海默病（AD）是导致痴呆症的主要原因，是一种致命的、使人衰弱的神经退行性疾病。AD的组织病理学定义是大脑中的β-淀粉样蛋白斑块（Aβ）和过度磷酸化的tau蛋白缠结，但其潜在的病理生理机制尚不清楚。遗传学、脑组织蛋白质组学和基因表达研究表明，许多不同的病理生理过程与淀粉样蛋白和tau蛋白的病理相关，包括但不限于突触可塑性、先天免疫系统、神经炎症、脂质代谢、RNA代谢、基质体和血管功能。患者之间关于潜在机制的差异，以及其他因素，可能导致了在先前的AD试验中观察到的有限或缺乏临床效果。例如，之前发现在一个特定的AD亚型中存在异常高的脑脊液BACE1水平，这表明如果其他因素得到优化，BACE抑制可能仅在一个亚组中有效。这突出了对个性化治疗和体内工具来定义这种分子亚型的必要性。

脑脊液是最容易获得神经退行性疾病分子的生物液体，它与大脑密切接触，脑脊液中的蛋白质浓度直接反映大脑组织病变的蛋白质浓度。

本研究是在之前研究3种AD分子亚型的基础上，进一步扩大规模进行研究。选取来源于阿姆斯特丹阿尔茨海默中心相关研究的609例个体的脑脊液样本，其中419例患者患有异常淀粉样生物标志物定义的AD，包括所有临床阶段（即107例认知正常，103例轻度认知障碍（MCI），209例痴呆）。187名对照组需要有正常的认知能力和正常的淀粉样蛋白和tau蛋白生物标志物。然后对每个脑脊液蛋白样本进行酶切，用串联质谱标记（TMTs）标记多肽，用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行分离和分析（方法）。共鉴定出3863种蛋白质，在所有样本中均有观察到的蛋白质1309种（由28408个多肽段定义）。然后，研究者对AD患者进行测试，重复分析哪些蛋白水平和对照组不同，这些分析根据tau水平或疾病阶段进行分层。因为蛋白质水平可以通过这些变量以非线性的方式变化，最终选择1058个AD相关蛋白进行聚类分析。然后用非负矩阵分解20对AD相关蛋白上的AD个体进行聚类，这是一种双重聚类方法，该算法的一个特殊优势是，每个定义被分配到一个亚型，这对诊断或试验的患者分层很有用。

研究结果表明：这些AD亚型的蛋白质水平发生改变，和不同的分子过程相关：亚型1的特征是与神经元超可塑性相关的蛋白；亚型2先天免疫激活；3亚型RNA失调；4型脉络膜丛功能障碍；5型血脑屏障损伤，患者的蛋白组学谱分为5个亚型，见（图1a）。

图1  AD亚型生物学描述

与对照组相比，亚型1、2、3患者的脑脊液组有着显著升高的Tau蛋白，但是亚型4和5的患者则检测不出Tau蛋白变化。各亚型在从MCI发展为痴呆的进展率上存在差异，其中亚型2和亚型5的风险最高，而亚型4的风险最低（图2d）。亚型3的患者在发展成痴呆症后，平常生存期的时间最短，大约只有5-6年，而亚型1最长有8-9年。同时研究也首次确认，每种亚型都与独特的基因突变相联系，比如亚型1会有着高水平的TREM2基因突变，过往研究发现这一突变会损伤小胶质细胞活化，使AD风险上升1.4-2.3倍。下面，我们重点介绍亚型特异性与生物过程、细胞类型、AD遗传风险变异和萎缩模式的关联：

AD亚型分子1

与对照组相比，亚型1患者（n = 137，32.7%）有827种脑脊液蛋白水平升高，408种蛋白水平降低。在所有亚型中，亚型1中针对神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞和少突胶质细胞前体细胞特异性蛋白的比例最高（图1c）。水平增加的蛋白质与神经元可塑性过程相关，包括突触组装、轴突引导、神经发生和胶质细胞发生（图1e）。此外，这种神经元超可塑性亚型具有较高的BACE1、淀粉样蛋白-β1-40和tau脑脊液水平。根据MRI分析显示，与其他亚型相比，该亚型的萎缩较少，且仅限于颞叶和顶叶（图2）。

图2 AD亚型MRI与临床结果的比较

AD亚型分子2

与对照组相比，亚型2患者（n = 124，29.6%）有986种脑脊液蛋白水平升高，506种脑脊液蛋白水平降低。亚型2中大量增加的蛋白是对小胶质细胞有特异性的。水平增加的蛋白质与先天免疫激活相关，包括调节细胞因子的产生。神经免疫信号发生在正常的神经元发育过程中，当小胶质细胞修剪未成熟的突触时，在AD中，在弥漫性和神经炎斑块附近激活的小胶质细胞可能导致过度的突触修剪，这可能导致萎缩加剧。与亚型1、3和5相比，亚型2是MRI上最严重和皮质萎缩的两种亚型之一。

AD亚型分子3

与对照组相比，亚型3患者（n = 24，5.7%）有516种脑脊液蛋白水平增加，757种脑脊液蛋白水平降低。蛋白质水平增加与细胞骨架组织、轴突运输、蛋白酶体和蛋白质折叠相关。该亚型的t-tau和NEFL脑脊液水平最高。BACE1水平高于对照组，但与亚型1和2型不同，淀粉样蛋白-β40水平与对照组相似，这表明该亚型与较高的BACE1水平存在不同的机制。在亚型3中特异性增加的蛋白质包括：异源核核糖核蛋白（hnRNPs）和其他rna结合蛋白，然而异常增加的蛋白质可能导致错误剪接或隐性剪接、影响mRNA翻译，从而导致蛋白功能失调。

AD亚型分子4

与对照组相比，亚型4患者（n = 78，18.6%）有467种脑脊液蛋白水平增加，626种脑脊液蛋白水平降低。亚型4中大量增加的蛋白质是针对小胶质细胞和其他免疫细胞的。其中大量增加的蛋白质有45%与侧脑室脉络膜丛的高表达相关包括TTR、SPARC和细胞外基质蛋白，如DCN、LUM和COLA12。脉络膜丛位于脑室沿线，在那里它产生脑脊液，并负责营养、脂质和蛋白质通过血液-脑脊液屏障的转移。在核磁共振成像中，亚型4的脉络丛体积最大（图2b）。该亚型通常具有正常的t-tau和p-tau水平，但它的萎缩比1、3和5亚型更严重，特别是累及前扣带区。亚型4中水平降低的蛋白与轴突生长和突触可塑性有关（例如，BDNF），部分与亚型1和亚型2中增加的蛋白重叠，并且也在REST和SUZ12中富集。这表明亚型2也具有神经元可塑性低下的特征。

AD亚型分子5

亚型5患者（n = 56，13.4%）有640种脑脊液蛋白水平增加，包括血液蛋白如白蛋白、纤维蛋白原、纤溶酶原、凝血酶原和许多免疫球蛋白，当血脑屏障时，所有蛋白质泄漏到大脑。与蛋白质增加相关的途径包括凝血、B细胞介导的免疫和急性炎症反应。在MRI上，与其他亚型相比，该亚型有更多的微出血。大多数与亚型5相关的脑脊液蛋白（1013，61%），与对照组相比，水平下降，这些可能是应为蛋白与神经可塑性相关，并聚集在转录因子SUZ12和REST上。这表明血脑屏障亚型也具有可塑性低下，如脉络膜丛亚型。

论述：

与之前研究相比，本研究分析包含了更多的蛋白质和个体，同时对先前确定的三种脑脊液亚型的更深入阐述。研究发现每个亚型都与不同AD遗传风险因素相关，也说明了每个CSF AD亚型反映特定的潜在分子机制。

本研究有一个潜在局限性，AD是由生物标志物定义的，然而这些生物标志物与病理发生密切相关，有时候存在不准确的情况。还有一个限制，鉴于不同的分子过程模式和AD遗传风险谱，AD亚型可能需要特殊的治疗 。

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