MIT领导全面阿尔茨海默氏症分析——从DNA损伤到神经元破坏

为了找到治疗阿尔茨海默氏症的新靶点，麻省理工学院的研究人员对阿尔茨海默氏症患者大脑中每种细胞类型的基因组、表观基因组和转录组变化进行了迄今为止最广泛的分析。

　　

麻省理工学院的科学家们对阿尔茨海默氏症进行了深入研究，分析了该疾病的基因组、表观基因组和转录组变化。发现范围从基因模式中断和表观基因组变化到神经元中小胶质细胞和DNA损伤的意义。他们的目标是利用人工智能进行药物发现，并在网上分享他们的数据，用于全球研究。通过分析表观基因组和基因表达变化发生在阿尔茨海默氏症疾病方面，研究人员发现了可能成为新药物靶点的细胞途径。

阿尔茨海默病在美国影响着600多万人，而且很少有FDA批准的治疗方法可以减缓这种疾病的进展。为了找到治疗阿尔茨海默氏症的新靶点，麻省理工学院的科学家们对阿尔茨海默氏症患者大脑中每种细胞类型的基因组、表观基因组和转录组变化进行了迄今为止最广泛的分析。

研究人员使用来自400多个死后大脑样本的200多万个细胞，分析了随着阿尔茨海默病的进展，基因表达是如何被破坏的。他们还追踪了细胞表观基因组修饰的变化，这有助于确定特定细胞中哪些基因是开启或关闭的。总之，这些方法为阿尔茨海默氏症的遗传和分子基础提供了迄今为止最详细的图景。

研究团队及目标

研究人员在9月28日发表在《Cell》杂志上的四篇论文中报告了他们的发现。这项研究由麻省理工学院Picower学习与记忆研究所所长Li-Huei Tsai和麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)计算机科学教授、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所成员Manolis Kellis领导。

Kellis说:“我们开始做的是将我们的计算和生物学专业知识结合起来，以前所未有的规模对数百人的阿尔茨海默氏症进行公正的观察——这是以前从未做过的事情。”

研究结果表明，遗传和表观遗传变化相互作用，驱动疾病的病理表现。

“这是一个多因素的过程，”Tsai说。“这些论文共同使用了不同的方法，指出了阿尔茨海默病的聚合图，其中受影响的神经元在其3D基因组中存在缺陷，这是我们看到的许多疾病表型的原因。”

       

疾病的复杂性和方法

许多研发治疗阿尔茨海默病药物的努力都集中在患者大脑中形成的淀粉样斑块上。在他们的新研究中，麻省理工学院的研究小组试图通过分析疾病的分子驱动因素、最脆弱的细胞类型和驱动神经变性的潜在生物学途径来发现其他可能的方法。

为此，研究人员对来自宗教秩序研究/记忆与衰老项目(ROSMAP)的427个大脑样本进行了转录组学和表观基因组学分析。ROSMAP是一项纵向研究，自1994年以来一直追踪老年人的记忆、运动和其他与年龄相关的变化。这些样本包括146名无认知障碍的人，102名有轻度认知障碍的人，144名被诊断患有与阿尔茨海默氏症相关的痴呆症的人。

在第一篇关注基因表达变化的Cell论文[1]中，研究人员利用单细胞RNA测序分析了这些样本中54种脑细胞的基因表达模式，并确定了阿尔茨海默病患者中受影响最大的细胞功能。其中最突出的是，他们发现涉及线粒体功能、突触信号和维持基因组结构完整性所需的蛋白质复合物的基因表达受损。

这项基因表达研究由前麻省理工学院博士后Hansruedi Mathys、研究生Zhuyu (Verna) Peng和前研究生Carles Boix领导，他们还发现与脂质代谢相关的遗传途径被高度破坏。在去年发表在《Nature》杂志上的一篇文章中，Tsai和Kellis的实验室表明，阿尔茨海默氏症的最大遗传风险是APOE4，它会干扰正常的脂质代谢，从而导致许多其他细胞过程出现缺陷。在Mathys领导的这项研究中，研究人员还比较了有认知障碍的人和没有认知障碍的人的基因表达模式，包括一些尽管大脑中有一定程度的淀粉样蛋白堆积，但仍保持敏锐的人，这种现象被称为认知弹性。该分析显示，认知能力强的人在前额皮质中有两组抑制神经元的数量更多。在与阿尔茨海默氏症相关的痴呆症患者中，这些细胞似乎更容易受到神经变性和细胞死亡的影响。

“这一发现表明，特定的抑制神经元群可能是维持认知功能的关键，即使在阿尔茨海默氏症病理存在的情况下，”Mathys说。“我们的研究将这些特定的抑制性神经元亚型确定为未来研究的关键目标，并有可能促进旨在保持老年人认知能力的治疗干预措施的发展。”

外遗传性改变

在第二篇Cell论文中，[2]由前麻省理工学院博士后xusshen Xiong、研究生Benjamin James和前研究生Carles Boix博士领导，研究人员检查了92个人的一些表观基因组变化，其中包括48名健康个体和44名早期或晚期阿尔茨海默氏症患者。表观基因组变化是DNA的化学修饰或包装的改变，影响特定细胞内特定基因的使用。

为了测量这些变化，研究人员使用了一种名为ATAC-Seq的技术，该技术可以在单细胞分辨率下测量基因组中各个位点的可达性。通过将这些数据与单细胞RNA测序数据相结合，研究人员能够将有关基因表达程度的信息与该基因的可及性的数据联系起来。他们还可以开始将基因分组到控制特定细胞功能的调控回路中，比如突触通信——神经元在整个大脑中传递信息的主要方式。利用这种方法，研究人员能够追踪基因表达和表观基因组可及性的变化，这些变化发生在以前与阿尔茨海默氏症有关的基因中。他们还确定了最有可能表达这些疾病相关基因的细胞类型，并发现其中许多细胞最常出现在小胶质细胞中，小胶质细胞负责清除大脑中的碎片。

这项研究还揭示，随着阿尔茨海默病的进展，大脑中每种类型的细胞都会经历一种被称为表观基因组侵蚀的现象，这意味着细胞正常的可访问基因组位点模式会丢失，从而导致细胞身份的丧失。

小胶质细胞的作用

在由麻省理工学院研究生Na Sun和研究科学家Matheus Victor领导的第三篇《Cell》论文中，研究人员主要关注小胶质细胞，它占大脑细胞的5%到10%。[3]除了清除大脑碎片外，这些免疫细胞还对损伤或感染做出反应，并帮助神经元相互沟通。

这项研究建立在Tsai和Kellis 2015年的一篇论文的基础上，他们在论文中发现，与阿尔茨海默病相关的许多全基因组关联研究(GWAS)变异主要活跃在小胶质细胞等免疫细胞中，远远超过神经元或其他类型的脑细胞。在这项新研究中，研究人员使用RNA测序将小胶质细胞分为12种不同的状态，这是基于在每种状态下以不同水平表达的数百个基因。他们还表明，随着阿尔茨海默病的进展，更多的小胶质细胞进入炎症状态。Tsai的实验室此前也曾表明，随着大脑中出现更多的炎症，血脑屏障开始退化，神经元开始难以相互沟通。

与此同时，阿尔茨海默氏症患者大脑中处于促进体内平衡和帮助大脑正常运作状态的小胶质细胞减少了。研究人员确定了转录因子，这些转录因子开启了使小胶质细胞保持稳态的基因，Tsai实验室现在正在探索激活这些因子的方法，希望通过编程诱导炎症的小胶质细胞切换回稳态来治疗阿尔茨海默病。

DNA损伤

在由麻省理工学院研究科学家Vishnu Dileep和Boix领导的第四项Cell研究中[4]，研究人员研究了DNA损伤如何导致阿尔茨海默病的发展。Tsai实验室之前的工作表明，早在阿尔茨海默病症状出现之前，DNA损伤就会出现在神经元中。这种损伤部分是由于在记忆形成过程中，神经元产生了许多双链DNA断裂。这些断裂可以迅速修复，但随着神经元的衰老，修复过程可能会出现故障。

第四项研究发现，随着神经元中DNA损伤的积累，神经元修复损伤变得越来越困难，从而导致基因组重排和3D折叠缺陷。“当神经元中有很多DNA损伤时，细胞在试图将基因组重新组合在一起时，会犯错误，导致重排，”Dileep说。“我喜欢用的类比是，如果你在一张图像上有一个裂缝，你可以很容易地把它拼起来，但如果你打碎了一张图像，然后试图把它拼起来，你就会犯错误。”

这些修复错误还会导致一种被称为基因融合的现象，这种现象发生在基因之间发生重排时，导致基因失调。除了基因组折叠缺陷外，这些变化似乎主要影响与突触活动相关的基因，可能导致阿尔茨海默病的认知能力下降。

研究人员说，这一发现增加了寻找增强神经元DNA修复能力的方法的可能性，这种方法可以减缓阿尔茨海默病的进展。

此外，Kellis的实验室现在希望使用人工智能算法，如蛋白质语言模型、图形神经网络和大型语言模型，来发现可能针对研究人员在这些研究中发现的一些关键基因的药物。

研究人员还希望其他科学家能够利用他们的基因组和表观基因组数据。“我们希望全世界都能使用这些数据，”Kellis说。“我们已经创建了在线存储库，人们可以与数据交互，访问数据，将数据可视化，并实时进行分析。”

1. “Single-cell atlas reveals correlates of high cognitive function, dementia, and resilience to Alzheimer’s disease pathology” by Hansruedi Mathys, Zhuyu Peng, Carles A. Boix, Matheus B. Victor, Noelle Leary, Sudhagar Babu, Ghada Abdelhady, Xueqiao Jiang, Ayesha P. Ng, Kimia Ghafari, Alexander K. Kunisky, Julio Mantero, Kyriaki Galani, Vanshika N. Lohia, Gabrielle E. Fortier, Yasmine Lotfi, Jason Ivey, Hannah P. Brown, Pratham R. Patel, Nehal Chakraborty, Jacob I. Beaudway, Elizabeth J. Imhoff, Cameron F. Keeler, Maren M. McChesney, Haishal H. Patel, Sahil P. Patel, Megan T. Thai, David A. Bennett, Manolis Kellis and Li-Huei Tsai, 28 September 2023, Cell.
   

2. “Epigenomic dissection of Alzheimer’s disease pinpoints causal variants and reveals epigenome erosion” by Xushen Xiong, Benjamin T. James, Carles A. Boix, Yongjin P. Park, Kyriaki Galani, Matheus B. Victor, Na Sun, Lei Hou, Li-Lun Ho, Julio Mantero, Aine Ni Scannail, Vishnu Dileep, Weixiu Dong, Hansruedi Mathys, David A. Bennett, Li-Huei Tsai and Manolis Kellis, 28 September 2023,Cell.
   

3. “Human microglial state dynamics in Alzheimer’s disease progression” by Na Sun, Matheus B. Victor, Yongjin P. Park, Xushen Xiong, Aine Ni Scannail, Noelle Leary, Shaniah Prosper, Soujanya Viswanathan, Xochitl Luna, Carles A. Boix, Benjamin T. James, Yosuke Tanigawa, Kyriaki Galani, Hansruedi Mathys, Xueqiao Jiang, Ayesha P. Ng, David A. Bennett, Li-Huei Tsai and Manolis Kellis, 28 September 2023,Cell.
   

4. “Neuronal DNA double-strand breaks lead to genome structural variations and 3D genome disruption in neurodegeneration” by Vishnu Dileep, Carles A. Boix, Hansruedi Mathys, Asaf Marco, Gwyneth M. Welch, Hiruy S. Meharena, Anjanet Loon, Ritika Jeloka, Zhuyu Peng, David A. Bennett, Manolis Kellis and Li-Huei Tsai, 28 September 2023,Cell.