唐氏综合征额叶皮层阿尔茨海默样表型的蛋白质组特征：年龄相关动态变化与保守病理机制研究

《Molecular Neurobiology》：Proteome Signature of Alzheimer-Like Phenotypes in Frontal Cortices From Young and Old Individuals With Down Syndrome

本研究针对唐氏综合征(DS)患者为何普遍早发阿尔茨海默病(AD)这一关键问题，通过蛋白质组学分析揭示了DS个体额叶皮层在不同年龄阶段的分子特征。研究人员采用无标记鸟枪法蛋白质组学(nLC-HDMSE)技术，对比分析了年轻/年老的DS、DSAD及健康对照者的脑组织样本。结果发现，年轻DS患者即出现广泛的蛋白质表达上调，涉及能量代谢、突触传递和应激反应等通路；而随着衰老和AD病理发生，蛋白质表达总体下降，线粒体功能障碍和NRF2氧化应激反应减弱尤为显著。该研究首次系统描绘了DS大脑蛋白质组随年龄和AD进展的动态演变图谱，为理解DS相关神经退行性变的机制提供了重要线索，并提示早期干预靶点。

　　

当谈到唐氏综合征，大多数人会想到其特征性的智力障碍和特殊面容，但很少有人知道，这个由染色体21三体(HSA21)引起的遗传疾病，几乎成为了阿尔茨海默病的"确定性预测模型"。研究表明，高达90%的DS患者在50岁前会发展出足够的AD神经病理学改变，包括β-淀粉样蛋白(Aβ)斑块和神经纤维缠结。这一惊人的关联性使得科学界对DS大脑的分子变化产生了浓厚兴趣——究竟是什么机制促使DS大脑如此容易走向神经退行性变？

传统上，研究人员主要通过基因组和转录组学来探索DS的病理机制，然而基因的过度表达并不总是直接转化为相应蛋白质水平的增加。蛋白质作为细胞功能的主要执行者，其表达水平和修饰状态更能反映真实的病理生理过程。尤其令人困惑的是，HSA21仅编码约247个蛋白质编码基因，占人类基因组的不到1.2%，但DS的表型却涉及全身多系统异常。这表明，三体21的影响远不止于简单基因剂量效应，而是引发了全基因组范围的复杂调控网络失衡。

为了解开这个谜团，由Fabio Di Domenico领衔的研究团队开展了一项深入的研究，他们试图描绘DS大脑在不同年龄阶段以及AD发展过程中的蛋白质组动态变化图谱。这项研究最近发表在《Molecular Neurobiology》期刊上，为我们理解DS如何发展为AD提供了全新的视角。

研究人员采用了几个关键技术方法：首先，他们收集了24例人脑额叶皮层样本，分为年轻DS、年轻对照(CTRY)、DS伴AD(DSAD)和年老对照(CTRO)四组；同时使用了Ts66YahDS小鼠模型在3月和9月龄的脑样本。通过纳米液相色谱-高分辨率质谱(nLC-HDMSE)技术进行无标记蛋白质组定量分析，结合生物信息学工具(包括IPA和STRING)对差异表达蛋白质(DEPs)进行通路和网络分析。

年轻DS个体显示广泛的蛋白质表达上调

通过比较年轻DS与年龄匹配对照的额叶皮层，研究人员鉴定出432个DEPs，其中301个(69.6%)表达上调，131个(30.4%)下调。染色体分布分析显示仅有约2%的DEPs编码基因位于HSA21，而大多数来自其他染色体，如17号(7%)、11号(6.6%)和12号(5.7%)，表明HSA21三体对全基因组表达产生了广泛影响。

通路分析显示，年轻DS大脑中氧化磷酸化(OXPHOS)、糖酵解、AMPK信号通路等能量代谢相关途径显著激活(z-score分别为+2.6、+1.13、+1.15)。同时，突触发生、长时程增强/抑制等神经传递通路也明显上调。值得注意的是，与AD相关的病理过程如淀粉样纤维形成通路也已激活(z-score+2.2)，涉及APP、APOE等关键分子。

年老DSAD个体呈现蛋白质表达总体下降趋势

与年轻DS的普遍上调相反，DSAD与年老对照比较显示281个DEPs，其中190个(67.6%)上调，91个(32.4%)下调。亚细胞定位分析表明，线粒体蛋白质的比例从年轻DS的19.5%降至12%，而膜蛋白比例从18%升至25.1%，提示随年龄增长和AD发展，蛋白质表达紊乱的模式发生了转变。

通路分析显示，DSAD大脑中NRF2介导的氧化应激反应转为负z-score(-0.38)，而TCA循环和自噬通路仍保持激活状态。与AD病理相关的蛋白质表达变化在年轻DS阶段更为明显，提示这些分子改变可能先于明显AD病理的出现。

基因型和年龄对蛋白质组的交互影响

通过比较DSAD与DS组(评估衰老和AD发展的影响)，研究人员发现902个DEPs，其中仅有37%上调，63%下调，表明衰老和AD进程导致蛋白质表达总体下降。特别值得注意的是，与年轻DS相比，DSAD中淀粉样纤维形成通路转为负z-score(-1.63)，包括APP、APOE在内的关键分子表达发生变化。

比较年龄相关的蛋白质组变化发现，DS和对照组在衰老过程中有约80%的DEPs重叠，包括MAPT、ATP5PB、SOD2等AD相关分子。然而，DS个体中的衰老效应比对照组更为严重，支持DS是一种"早衰"状态的观点。

Ts66Yah小鼠模型验证人类发现

在3月龄Ts66Yah小鼠中，研究人员发现724个DEPs，其中95%上调，与年轻DS人类数据有21.9%的重叠。通路分析显示与人类DS相似的变化模式，包括氧化磷酸化、NRF2应激反应和神经传递通路的激活。然而，9月龄小鼠与人类DSAD的比较显示重叠减少(9.3%)，且某些通路如NRF2反应仍保持激活状态，可能与小鼠缺乏明显AD表型有关。

研究结论表明，三体21引起的大脑蛋白质组改变具有明显的动态特征：年轻阶段主要表现为蛋白质表达普遍上调，涉及能量代谢、突触功能和应激反应通路的激活；而随着衰老和AD病理的出现，蛋白质表达总体下降，伴随保护性机制(如NRF2反应)的减弱和病理过程的加速。这些变化不仅限于HSA21编码的蛋白质，而是涉及全基因组范围的复杂调控网络。

该研究的重要意义在于首次提供了DS大脑蛋白质组随年龄和AD发展的全面图谱，揭示了从早期适应性变化到晚期失代偿的关键转折点。特别值得注意的是，一些AD相关病理蛋白(如APOE)的改变在年轻DS阶段就已出现，为早期干预提供了潜在时间窗口。研究还证实Ts66Yah小鼠模型在模拟年轻DS分子特征方面的有效性，为未来机制研究和治疗开发提供了可靠工具。

这些发现不仅增进了我们对DS相关神经退行性变机制的理解，也为开发针对DS患者AD预防的策略提供了分子基础。通过识别早期关键变化，未来可能设计出干预措施，延缓或防止DS患者中AD病理的发展，从而显著改善这一人群的生活质量和认知功能。