《GeroScience》：A pattern to rule them all: tracing a human brain map of molecular aspects shared by Alzheimer’s disease and dementia with Lewy bodies
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阿尔茨海默病(AD)和路易体痴呆(LBD)是最广泛的退行性痴呆形式。然而，关于将这些疾病彼此以及与衰老本身联系起来的分子层面的特征，人们所知甚少。研究人员对经神经病理学诊断为AD或LBD受试者的海马(HI)、颞叶皮质(TC)和顶叶皮质(PC)、扣带皮质(CG)
阿尔茨海默病(AD)和路易体痴呆(LBD)是最广泛的退行性痴呆形式。然而，关于将这些疾病彼此以及与衰老本身联系起来的分子层面的特征，人们所知甚少。研究人员对经神经病理学诊断为AD或LBD受试者的海马(HI)、颞叶皮质(TC)和顶叶皮质(PC)、扣带皮质(CG)及黑质(SN)脑样本进行了全转录组分析和基因集富集分析(GSEA)。根据Abbiategrasso脑库(ABB)方案，神经病理学诊断基于完整的组织学特征描述，包括所有主要蛋白质病(proteinopathies)和血管评分。转录组结果显示，两种病理之间差异表达基因(DEGs)数量存在主要差异。在AD中，与LBD相比，基因表达受影响更大。DEGs具有独特空间分布：HI和TC显示与突触相关的转录组改变，而在CG、SN和PC中，改变与蛋白质稳态(proteostasis)相关；在LBD中，DEGs主要见于SN和PC，影响蛋白质稳态、氧化应激和炎症。在AD中，GSEA显示不同区域按共享生物过程聚类。AD显得更为复杂，且确实存在不同形式的AD。尽管如此，两种病理中相同区域的分子特征可出现有意义的重叠。探索病理损伤沉积之前发生的分子过程，可能揭示个体神经退行轨迹，以实现个性化治疗，这可能比单纯免疫学清除蛋白沉积更有效。
研究背景与问题：痴呆被定义为进行性认知功能衰退，并干扰独立的日常社交或职业活动。其发生与衰老密切相关，衰老是痴呆发生的最强危险因素。AD是最主要的痴呆类型，病理标志为细胞外淀粉样β(Aβ)肽聚集形成淀粉样斑块，以及神经元内过度磷酸化Tau蛋白(pTau)积累形成神经原纤维缠结；这些改变始于内嗅皮质和海马结构，后扩展至颞叶、顶叶乃至额叶皮质。LBD是仅次于AD且可致痴呆的常见神经退行性疾病，属于年龄相关突触核蛋白病，以α-突触核蛋白(α-synuclein)聚集形成路易小体为特征，导致乙酰胆碱和多巴胺能神经元死亡，引起认知下降、帕金森综合征、视幻觉、睡眠和行为改变。LBD与AD共享部分临床症状，但常预后更差。两者病因高度异质。既往meta分析发现跨多种神经退行疾病的“泛神经退行”基因特征，即固有免疫和转录/RNA加工基因上调、线粒体电子传递链下调，但涉及脑区少，且未报告单区域分子特征；另一项分析关注孤立性快速眼动睡眠行为障碍与AD差异，但侧重差异而非共同模式。因此，研究人员旨在定义并比较AD、LBD与对照受试者的“分子图谱”，在ABB尸检人脑组织中开展全转录组分析，研究HI、TC、PC、CG、SN的分子特征，以揭示可能代表共同神经退行过程的共享分子模式。样本来源于2010年入组InveCe.Ab研究、并在Abbiategrasso持续监测的老年受试者队列。
关键技术方法：研究人员依据ABB方案进行临床和尸检神经病理学评估，脑取材于死亡24 h内完成，诊断结合完整组织学、主要蛋白质病和血管评分。选取6例AD、6例LBD、3例对照(CTRL)受试者，取HI、TC、PC、CG、SN五个脑区。主要技术包括全转录组RNA测序(RNA-seq)、实时定量PCR(qPCR)技术验证、生物信息学分析(DESeq2鉴定DEGs，阈值|log
2(AD/CTRL)|≥1且错误发现率FDR≤0.1；GSEA及KEGG、WikiPathways、基因本体(GO)富集，STRING网络和Venn重叠分析)。样本队列来源为Abbiategrasso脑库(ABB)及InveCe.Ab基于人群的纵向研究。
研究结果：
LBD脑较AD脑失调程度更低。通过DEGs统计发现，AD中DEGs数量在TC最高(1571)，其次为CG(1210)和PC(109)，SN最低(60)；多数为蛋白编码mRNA。LBD中DEGs在SN最高(138)，其次为PC(96)和HI(24)，TC最低(7)；多数亦为蛋白编码mRNA，而非长链非编码RNA(lncRNAs)。这说明AD基因表达受影响大于LBD。
海马。AD HI总DEGs为206，多数为蛋白编码(177)且下调(110)；LBD HI总DEGs为24，多数为蛋白编码(18)且上调(11)。PCA显示AD与CTRL分离明显，LBD与CTRL分离较弱。GO富集显示，AD HI主要涉及突触传递，细胞组分与突触功能和神经元-神经元相互作用相关；STRING分析中96/177个蛋白编码DEGs形成4个局部网络簇，涉及电压门控钾通道及钠/钙激活钾通道活性，突触囊泡循环和突触可塑性，活跃区(AZ)参与明显；top5 STRING GO相关DEGs除LTF(编码乳铁蛋白Lf)外均下调。LBD HI无生物过程富集，分子功能主要涉及肽和神经递质结合，并涉及神经元和树突棘；STRING分析无显著富集，仅CXCR4、GNG4和HTR1A互作，其中CXCR4上调，GNG4和HTR1A下调。
颞叶皮质。AD TC总DEGs为1571，多数为蛋白编码(1152)且下调(781)；LBD TC总DEGs为7，多数下调(4)且属蛋白编码(5)。PCA显示AD和LBD均与CTRL分离。AD TC的GO富集主要涉及突触功能和传递、离子通道活动、突触前后膜和神经元成分；STRING分析中727/1152个蛋白编码DEGs形成41个局部网络簇，top10主要与谷氨酸能和GABA能突触调节相关；top5 STRING GO相关DEGs除CFTR(编码ATP结合盒ABC转运蛋白亚家族C成员7)外均下调。LBD TC的GSEA涉及分子伴侣功能和IGF2相关通路，但因DEGs少，GO项多仅涉及单个基因，最常报道IGF2和DNAJB1；STRING无富集项或互作网络。因此，LBD TC在分子层面似乎轻度受累。
顶叶皮质。AD PC总DEGs为109，多数为蛋白编码(92)且上调(54)；LBD PC总DEGs为96，多数为蛋白编码(71)且上调(53)。PCA显示AD和LBD与CTRL分离，但PC1方向分离不强。AD PC的GO生物过程涉及膜电位调节和突触后膜电位调节，分子功能多与离子和门控通道相关，细胞组分主要涉及细胞膜；STRING分析中蛋白编码DEGs从92降至27，仅发现HSPH1和DNAJB1互作，二者编码不同热休克蛋白(HSPs)家族成员，且在AD PC中下调。LBD PC的GSEA涉及胶质环境和不同酸类结合；细胞组分无富集；STRING分析49/71个蛋白编码DEGs确认胶质环境相关过程失调。
扣带皮质。AD CG总DEGs为1210，多数为蛋白编码(727)且上调(617)；LBD CG总DEGs为13，多数为蛋白编码(11)且下调(9)。PCA显示AD与CTRL分离但PC1方向不强，LBD与CTRL分离较好。AD CG的GO富集主要涉及蛋白折叠，也涉及细胞信号相关功能、细胞因子和趋化因子受体活性、质膜外侧面和细胞外基质；STRING分析中202/727个蛋白编码DEGs形成8个局部网络簇，功能与蛋白折叠相关。LBD CG的GO富集虽涉及若干项，但基因数最多为2；STRING无富集项或互作网络。因此，LBD CG在分子层面亦似轻度受累。
黑质。AD SN总DEGs为60，多数为蛋白编码(53)且上调(29)；LBD SN总DEGs为138，其中蛋白编码118(上调68，下调50)，lncRNA 20(上调17，下调3)，是LBD中DEGs最多的区域。PCA显示AD和LBD均沿PC1与CTRL明显分离。AD SN的GO富集涉及蛋白折叠和伴侣介导蛋白折叠，并涉及血液成分相关基因；STRING分析中30/53个蛋白编码DEGs形成5个局部网络簇，涉及变性蛋白结合与折叠及触珠蛋白-血红蛋白复合物；top5 STRING GO相关DEGs均下调，最下调者为HBA2和HBB，log
2(AD/CTRL)≤?4。LBD SN的GO富集主要涉及氧化应激反应、炎症和蛋白折叠；STRING分析77/118个蛋白编码DEGs确认上述结果。
LBD脑区具有不同且不重叠的转录景观。AD五个脑区重叠DEGs共享HBB和IGF2下调；STRING功能富集提示HI与TC、CG与SN存在共享方面：HI和TC共享21个生物过程GO项，与突触功能相关；SN和CG共享2个分子功能GO项，与蛋白折叠和伴侣活性相关；两组区域top5共享GO项相关基因在AD中均下调。LBD呈现更区域特异性模式：CG、SN和TC共享DNAJB1失调；HI和TC共享IGF2；HI和PC共享PLXNB3和NDE1；CG和HI共享BCYRN1；HI和SN共享ZCCHC112和CSF2RA；CG和TC共享SLC14A1和SPECC1L-ADORA2A；PC和SN共享SLC39A14、APOL6、HIF3A和RP11-597D13.7；CG和SN共享RP11-88I18.2。STRING分析中，因HI、TC和CG的DEGs少，无富集项；PC和SN共享两个细胞组分GO项：GO:0071944(细胞外周)和GO:0005886(质膜)；共享DEGs中仅HIF3A(缺氧诱导因子3亚基α)在LBD PC和SN均上调。
AD与LBD脑的共同分子模式。重叠各脑区DEGs发现：HI中AD 206个、LBD 24个，共享6个，其中蛋白编码基因为CXCR4、PTRF和IGF2，两个假基因GXYLT1P5和RN7SL471P，一个lncRNA RP11-334E6.12；三个蛋白编码基因在两者HI中均上调。TC中AD 1570个、LBD 7个，共享3个蛋白编码DEGs：DNAJB1、PTER和IGF2；IGF2上调，DNAJB1和PTER下调。PC中AD 109个、LBD 93个，共享20个，是共享DEGs最多区域；除2个lncRNA LINC00639和RP11-862L9.2外均为蛋白编码；STRING富集得到参考出版物富集项，含TMEM63A、RTKN、MYRF和ERBB3，均与少突胶质细胞分化相关，并在Down syndrome脑中失调。CG中共享3个DEGs：DNAJB1、SLC14A1和BCYRN1，均下调。SN中共享17个，是第二多区域；除lncRNA LINC01359外均为蛋白编码；STRING富集涉及与血管环境相关的一氧化氮转运和蛋白折叠。研究人员据此认为，AD和LBD虽不同，但共享部分分子方面，提示神经退行可能具有共同结局或共同初始基质，且全脑均受与两种病理及神经退行相关的分子改变影响；PC和SN重叠更多，可能与TC、CG和HI在LBD基线失调较低有关。
讨论部分总结：研究人员指出，衰老是神经退行疾病主要危险因素，但导致突触失败、病理蛋白聚集沉积及脑拓扑病变的分子级联仍知之甚少。本研究旨在探索两种痴呆的分子关系，发现AD基因表达受影响大于LBD，DEGs空间分布与病理阶段和拓扑相关，可追溯分子过程层级。AD中HI和TC与突触传递相关，CG、SN和PC与蛋白质稳态相关；LBD中SN和PC突出，涉及蛋白质稳态、氧化应激和炎症，胶质成分亦有作用。LBD总体失调较轻，SN最多、TC最少、PC次之，提示LBD涉及通路较少，脑内病理较AD简单，与文献报道LBD拓扑更刻板及TC等区域不参与一致；SN最大失调与其帕金森综合征和黑质多巴胺能神经元丢失一致。研究人员认为LBD病因中蛋白质稳态丢失、氧化应激反应缺乏和炎症可能关键；PC胶质受累提示早期胶质功能障碍可能导致氧化应激和蛋白质稳态丢失。PC和SN共享HIF3A上调，编码HIF-3α，通常响应脑内缺氧，也与AD昼夜节律紊乱相关，本研究将其联系到LBD。AD更复杂且存在不同形式。共同分子模式方面，HI共享CXCR4、PTRF和IGF2，提示炎症加重与保护反应；TC共享IGF2上调和DNAJB1下调，提示蛋白质稳态丢失与神经保护；SN和CG共享DNAJB1下调提示蛋白质稳态丢失；SN在两种病理中均富集一氧化氮和二氧化碳转运，一氧化氮在AD中有神经保护或神经毒性双重作用，衰老中较高一氧化氮多与健康和长寿相关，但细胞间通讯受损是衰老标志。蛋白质稳态丢失和弥漫炎症也是衰老标志。AD和LBD共享蛋白质稳态、胶质成分特别是少突胶质细胞和炎症损害，但两者显著不同；广泛炎症激活在神经退行疾病尤其高细胞外蛋白聚集的AD脑样本中报道，纯LBD免疫特征较弱，支持LBD从免疫角度不同于AD。研究缺乏单细胞视角，但与Shwab et al.比较提示少突胶质细胞、GABA能神经元等可能参与。局限包括样本小尤其对照少；PMI、终末前和临终状态、痴呆本身影响RNA质量；合并症可能影响表达；bulk RNA-seq不能区分细胞类型基因调控与细胞组成变化；无单细胞或空间转录组分析。
研究结论翻译：通过本研究，研究人员描述了AD和LBD病理在死后人脑不同区域的转录组特征，并探索AD和LBD的分子基础，推测疾病病因及其与衰老特别是脑衰老的联系。研究人员观察到不同脑区具有不同基因表达谱，有时重叠：在AD中，HI和TC受突触传递损害影响，而CG和SN以及PC(非统计学显著)以共享蛋白质稳态丢失为特征。在LBD中，病理在黑质更明显，也导致蛋白质稳态丢失、氧化应激反应缺乏和一般炎症；胶质成分也起关键作用，揭示复杂病理图景。这些方面也为AD病理所共享。观察单个区域，出现不同共享分子方面，可能代表共同生物学根源，与这些病理发生框架——神经退行性衰老——紧密相关。当然，衰老本身不是神经退行病因。在一些受试者中，似乎发生生理性衰老与病理性衰老之间的转换；通过本研究，研究人员开始阐明这一现象。尽管尚未达到目标，探索脑组织病理损伤沉积前发生的分子过程将有助于更好理解个体神经退行过程，以实现个性化治疗和预防策略，这可能比当前仅基于免疫学清除蛋白沉积的治疗更有效。
