长读长测序揭示ATXN3基因CAG重复扩展与转录组学发现SCA3疾病进展生物标志物及可成药靶点的多组学研究

本研究通过整合长读长全基因组测序(LR-WGS)和转录组学技术，在中国SCA3家系中精准鉴定ATXN3基因CAG重复扩展突变，揭示ECM-受体互作/黏着斑通路异常、免疫失调和RNA剪接缺陷是疾病进展的关键机制，发现THBS1/CAMTA1↑和C3/ALS2/SLC35A2↓等跨物种保守血液生物标志物，并鉴定AKT1、Mobp等核心调控靶点，为SCA3的早期诊断和靶向治疗提供新策略。

　　

研究背景与科学问题

脊髓小脑共济失调3型(SCA3/MJD)作为全球最常见的常染色体显性遗传共济失调，由ATXN3基因CAG重复扩展引发，临床表现为进行性小脑退化。尽管其分子机制已被初步阐明，但疾病进展的驱动因素仍不明确。传统短读长测序技术难以准确检测大片段重复扩展，导致诊断不确定性；同时缺乏可监测疾病进展的非侵入性生物标志物和有效治疗靶点。这些瓶颈问题严重制约了SCA3的精准诊疗发展。

研究方法与技术路线

研究团队对一个中国五代SCA3家系开展多组学分析：

1. 1.

   采用靶向测序(TS)、全外显子测序(WES)和牛津纳米孔长读长全基因组测序(LR-WGS)检测遗传变异，通过PCR-毛细管电泳和T-A克隆验证ATXN3-CAG重复数

2. 2.

   对14名家系成员进行血液转录组测序(RNA-seq)，按症状严重程度分组(重度/轻度-无症状/正常)进行差异表达基因(DEG)分析

3. 3.

   通过GO/KEGG富集、GSEA和蛋白质互作网络(PPI)解析关键通路与核心调控因子

4. 4.

   整合小鼠模型数据(GSE108069等)进行跨物种验证，使用独立溃疡性结肠炎数据集验证分析流程

主要研究结果

1. 临床特征与影像学异常

家系成员表现出典型小脑共济失调伴锥体外系症状，MRI显示小脑蚓部/脚部萎缩（图1B-E）和罕见的胼胝体萎缩（图1C-E箭头）。神经心理评估显示焦虑抑郁等精神症状，但严重程度与影像学改变无明确相关性。

2. ATXN3-CAG重复扩展的精准鉴定

LR-WGS在先证者II-6中发现69次CAG重复（图2B），传统WES/TS因技术局限漏检。PCR验证显示患者重复数为68-74次，无症状携带者为71-74次，正常个体为14-28次（图2C）。单倍型分析提示突变源自Joseph谱系，但发病年龄预测模型在亚洲人群中存在偏差（图S1D）。

3. 血液转录组特征与疾病进展关联

重度患者中795个DEG显著富集于黏着斑(FA)和ECM-受体互作通路（图3B）。趋势分析显示：

• •

  凝血相关基因(Cluster 1)随病程上调

• •

  RNA剪接相关基因(Cluster 3)早期失调

• •

  高尔基体-内体运输基因(Cluster 4)晚期变化（图3C）

  PPI网络确定AKT1(103个互作)、TGFB1(57)、MAPK3(53)等核心调控节点（图3E）。

4. 跨物种保守生物标志物

比较人与小鼠数据发现218个保守DEG，其中10个高置信度标志物包括：

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  上调基因：THBS1(血小板反应蛋白1)、CAMTA1(钙调蛋白结合转录激活因子1)

• •

  下调基因：补体C3、ALS2(肌萎缩侧索硬化症2蛋白)、SLC35A2(UDP-半乳糖转运体)（表S2-Sheet14）

5. 脑特异性治疗靶点

小鼠脑组织分析鉴定41个保守DEG，PPI网络突出：

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  多发性硬化靶点Mobp(髓鞘少突胶质细胞碱性蛋白)、Klk6(激肽释放酶6)

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  B细胞白血病靶点Mal(髓鞘脂蛋白)

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  糖尿病足溃疡试验药物靶点Gja1(连接蛋白43)（图S2D）

研究结论与意义

该研究通过多组学策略首次在中国SCA3家系中实现LR-WGS精准诊断，突破短读长测序的技术限制。发现ECM-受体互作/黏着斑通路异常、免疫失调和RNA剪接缺陷构成SCA3核心病理机制，血液标志物THBS1/C3等与临床进展显著相关。鉴定AKT1、Mobp等可成药靶点为开发靶向治疗奠定基础，同时证实整合多组学方法在神经退行性疾病诊疗中的转化价值。研究建立的生物标志物体系有望应用于SCA3的疾病监测和疗效评估，其分析框架也可拓展至其他重复扩展疾病的研究。