人类发育与21三体综合征的多组学全景研究：揭示年龄与性别差异的动态影响

本研究针对人类发育过程中年龄与性别二态性的动态变化以及21三体综合征（T21）的终身影响机制尚不明确的难题，开展了大规模多组学自然史研究。研究人员通过整合转录组、蛋白质组、代谢组和免疫组数据，系统分析了300余名T21患者和100名对照个体。结果发现年龄相关变化在青春期达到高峰，性二态性效应在生殖期显著，而T21在所有生命阶段均引发显著且动态的分子改变，包括持续性的干扰素信号激活、补体功能抑制以及阶段特异性的mTOR信号和上皮间质转化（EMT）通路紊乱。该研究揭示了T21相关病理的年龄特异性机制，为发展阶段适应性治疗策略提供了重要依据，对精准医学具有深远意义。

　　

人类发育是一个由多信号通路协同调控的复杂过程，其调控模式具有显著的年龄和性别特异性。21三体综合征（Trisomy 21, T21）作为唐氏综合征（Down Syndrome, DS）的遗传病因，会破坏正常的发育进程，导致早期神经发育迟缓和非典型的加速衰老，但其潜在机制至今未明。更复杂的是，性二态性不仅体现在生殖系统，还深刻影响着机体组成、疾病易感性和寿命，而T21如何与这些因素相互作用更是未知领域。这些知识缺口严重阻碍了针对DS患者不同生命阶段的精准治疗策略的开发。

为了解决这些问题，由科罗拉多大学安舒茨医学院Linda Crnic唐氏综合征研究所领衔的研究团队，在《Nature Communications》上发表了题为“An integrated multi-omic natural history study of human development, sexual dimorphism, and the effects of trisomy 21”的论文。研究团队开展了一项大规模、横断面的多组学自然史研究，对包括316名T21个体和104名二倍体对照（D21）在内的400余名参与者（年龄跨度6个月至65岁）进行了深入分析。研究整合了匹配的全血转录组（RNA-seq）、血浆蛋白质组（SomaScan）、血浆代谢组（LC-MS）和免疫细胞图谱（CyTOF）数据，旨在全景式描绘年龄、性别和T21状态对人类生物学的动态影响。

为开展本研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：研究依托人类三体项目（Human Trisome Project, HTP）队列，采集了参与者外周血样本；通过RNA测序（RNA-seq）技术分析全血转录组；借助SomaScan技术平台进行高通量血浆蛋白质组学分析；利用液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术完成血浆代谢组学检测；采用飞行时间质谱流式（CyTOF）技术深度解析外周免疫细胞群落；并创新性地运用差异表达滑动窗口分析（DESWAN）方法来识别生命周期中特定阶段的动态变化。

发育与衰老与唐氏综合征中的非线性多组学特征相关

通过层次聚类分析超过20,000种分析物的年龄轨迹，研究团队在DS中识别出8个具有独特变化模式的生物特征簇。这些簇揭示了发育过程中的非线性变化，例如，与细胞外基质（ECM）组织和神经发育相关的特征（如胶原蛋白ACAN、EPHA5）在青春期显著下降后趋于稳定。线性模型分析表明，T21对这些簇的影响各不相同，且其效应具有年龄依赖性。例如，B细胞（簇1）和丝氨酸（簇2）等特征在T21中普遍降低，而CD4⁺CD8⁺ T细胞（簇6）和ICAM1（簇7）等特征则持续升高。这强调了捕捉T21动态、年龄依赖性效应的必要性。

年龄、性别和21三体在不同生命周期中发挥不同的作用

DESWAN分析揭示，与年龄和性别二态性相关的分子变化数量在特定生命阶段差异显著，而T21相关的差异在整个生命周期中始终保持高位。年龄相关的蛋白组、转录组和代谢组变化在青春期达到顶峰，之后逐渐减弱。例如，在13岁为中心的窗口期，可检测到数百种蛋白质组差异，而在25岁的窗口期则不明显。性二态性驱动的差异，特别是蛋白质组差异，在生殖年龄期间最为显著，例如PZP（妊娠带蛋白）和KLK3（前列腺特异性抗原）在成年期出现性别分化。相比之下，T21的影响广泛且动态，其分子效应具有高度年龄特异性。例如，在早期生命（5-15岁），血浆PDGFB水平显著降低而CHI3L1水平升高，但这些差异在后期生命中并不存在；相反，G6B和PZP等蛋白的T21相关差异则在成年期才出现。

围青春期发育标志着整个生命周期中年龄依赖性分子变化的顶峰

通路分析（IPA和GSEA）表明，与年龄相关的分子改变主要集中在童年晚期和青春期。在血浆蛋白质组中，此时期表现为组织结构和重塑（如ECM组织、糖胺聚糖代谢）、神经粘附和信号（如突触发生、L1CAM/NCAM信号）以及细胞能量代谢（如氧化磷酸化、糖酵解）相关特征的显著耗竭。在全血转录组中，则富集了先天免疫信号（如干扰素信号）和氧化脂质代谢相关特征，同时免疫球蛋白及相关转录本广泛减少。这些变化在成年后趋于稳定。血浆代谢物（如肌酐、乙酰胆碱）的变化同样主要集中在早期生命阶段，而免疫细胞谱系则在整个生命周期中表现出更多可变、波动的变化模式，反映了免疫功能的广泛转变。

性别特异性分子差异主要局限于生殖期

对男女之间差异的分析发现，性二态性的分子影响主要局限于从青春期到更年期的生殖期。在生殖年间，男性显示出与有丝分裂信号、雄激素反应、氧化脂质代谢（如氧化磷酸化、脂肪生成）和NRF2介导的氧化应激反应相关的蛋白质组特征增强。例如，KLK3、SORD、ACAT2和FTL等蛋白在生殖年间男性中显著更高。转录组分析揭示了男性线粒体能量产生相关特征的富集，以及干扰素信号的抑制。代谢组差异也大多局限于生殖年龄，而免疫细胞谱系则显示出更复杂的、贯穿生命周期的模式，例如男性早期有γδ T细胞和黏膜相关恒定T细胞（MAITs）升高，以及CD4⁺ T细胞的耗竭。

21三体诱导整个生命周期的动态蛋白质组变化

T21在整个生命周期中诱导了显著的蛋白质组变化，其特征是某些通路的持续升高或抑制，以及其他通路随时间的动态变化。干扰素α和γ信号特征持续升高，由CXCL11、IFI27和B2M等蛋白驱动。凝血和补体活性相关特征则持续耗竭。此外，研究还观察到复杂且动态的富集轨迹：上皮间质转化（EMT）特征在早期生命中耗竭而在成年期变得富集，mTORC信号和MYC靶标则呈现相反的模式。值得注意的是，这些通路水平的转向通常不是由同一组蛋白质统一改变方向驱动的，而是由不同组的蛋白质在特定时期的特异性变化所驱动。

21三体以生命阶段特异性的方式失调全局转录组

转录组通路分析揭示了与蛋白质组相似的模式。干扰素γ反应和一般炎症反应等特征在T21个体中终身持续富集，血红素代谢特征也指示慢性缺氧信号和应激性红细胞生成。一些特征如Wnt/β- catenin信号则持续耗竭。未折叠蛋白反应（UPR）特征在早期生命富集而在后期变得耗竭。应用已建立的衰老基因特征进行分析，发现其在T21个体中终身强烈富集，支持该人群细胞衰老加剧的观点。转录组年龄估计显示，T21个体的转录组年龄比对照中位值高出10.3岁。

21三体在不同年龄诱导可变的代谢重编程

T21对血浆代谢组的影响包括与炎症和免疫反应相关的代谢物升高。一些代谢物如前列腺素和5(S)-HETE终身持续升高，而其他如11-HETE和白三烯B4则仅在年轻个体中升高。血浆氨基酸在T21个体中表现出 sporadic（零星）、年龄特异性的耗竭。例如，酪氨酸、甘氨酸和丝氨酸在生命早期即开始耗竭，而天冬酰胺、蛋氨酸等则在青少年晚期和二十多岁时开始耗竭。值得注意的是，血浆色氨酸水平在多个生命阶段持续耗竭，同时伴随着犬尿氨酸的升高，这表明色氨酸通过干扰素诱导的犬尿氨酸途径被分流，这可能是DS中5-羟色胺耗竭的根源。肉碱代谢也表现出强烈的失调，具有明显的年龄特异性效应。

21三体诱导整个生命周期的多种非线性免疫变化

T21对免疫细胞群体的影响反映了多组学分析中观察到的动态模式。从童年早期到成年晚期，所有活细胞、B细胞和T细胞谱系的亚群均发生显著改变。T21个体终身存在持续性的B细胞淋巴细胞减少症。此外，B细胞区室内发生多重转变，包括年龄相关B细胞（ABCs）和浆母细胞随年龄增长而显著升高，以及早期生命中预转换活化B细胞、转换记忆B细胞和IgM⁺记忆B细胞的耗竭，这指示了持续的免疫激活和异常的B细胞成熟。T细胞谱系也表现出复杂且阶段特异性的动态变化，例如γδ T细胞在多个阶段持续耗竭，CD4⁺ T细胞在晚童年至成年早期减少而后恢复，CD8⁺ T细胞则在相同时期升高而后恢复正常。

本研究通过综合多组学分析，揭示了人类发育、性二态性和T21效应的动态且非线性的本质。年龄相关的变化在青春期达到顶峰，强调了这一关键发育转折点的重要性。性二态性的分子表现主要局限于生殖期，凸显了性激素的核心驱动作用。最为重要的是，T21的影响是终身且动态的，其特点是某些通路（如干扰素信号、补体抑制、B细胞淋巴细胞减少）的持续性改变，以及其他通路（如mTOR信号、EMT、代谢和特定免疫细胞群）的阶段特异性失调。

这些发现具有深远的意义。首先，它们提供了对DS病理生理学的机制性见解，解释了为何个体在生命不同阶段表现出不同的临床表现，例如早期的神经发育延迟和先天异常，以及成年期的早发性阿尔茨海默病和自身免疫性疾病风险升高。其次，研究强调了对T21进行年龄适应性治疗的必要性。例如，针对过度活跃的干扰素通路的JAK抑制剂可能在特定生命阶段最有效，而针对mTOR或EMT通路的干预可能需要根据年龄进行调整。第三，研究为理解性二态性在健康和疾病中的分子基础提供了宝贵的资源。总之，这项工作为在DS乃至更广泛的人类生物学背景下开发贯穿整个生命周期的精准医疗方法奠定了坚实的基础。