《Brain Sciences》：Imaging Transcriptomic Signatures Associated with Brain Atrophy Across Clinical Subtypes of Parkinson’s Disease
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背景：帕金森病（Parkinson's disease, PD）运动亚型，即震颤为主型（tremor-dominant, TD）和姿势不稳/步态困难型（postural instability/gait difficulty, PIGD），表现出不同的脑萎缩模
背景：帕金森病（Parkinson's disease, PD）运动亚型，即震颤为主型（tremor-dominant, TD）和姿势不稳/步态困难型（postural instability/gait difficulty, PIGD），表现出不同的脑萎缩模式，然而这种亚型相关易损性的转录组学基础尚未完全阐明。研究人员采用整合性影像转录组学方法，以识别与PD及其临床亚型（TD和PIGD）区域灰质体积相关的差异性和共享性转录组学特征。方法：99例PD患者（50例TD，47例PIGD，2例不确定型）和70例健康对照（healthy controls, HCs）接受3T磁共振成像（MRI），评估PD亚型与HCs之间的区域灰质体积差异。偏最小二乘（partial least squares, PLS）回归将萎缩模式与Allen人脑图谱（Allen Human Brain Atlas, AHBA）跨脑区基因表达相关联，随后进行功能富集、病理相关基因富集、细胞类型富集和神经递质系统映射分析。结果：PIGD和TD表现出部分重叠的萎缩模式，其中PIGD的皮质和皮质下受累相对更广泛，而TD的受累模式较局限。PLS识别出78个共享基因及数百个亚型相关基因。PIGD相关基因初步富集于突触通路，并与α-突触核蛋白病理相关基因显著重叠，而TD相关基因富集于染色质调控和蛋白质稳态。神经递质映射显示PIGD涉及广泛的神经递质系统，而TD则表现出更局限的优势系统。结论：PD亚型在区域萎缩易损性背后表现出共享和亚型相关的转录组学特征，其中PIGD显示相对更显著的突触破坏和更广泛的神经递质系统受累。这些发现揭示了可能促成PD临床亚型疾病分布异质性的分子基础，并可能为靶向治疗策略的开发提供参考。
一、研究背景与科学问题
帕金森病（Parkinson's disease, PD）是一种以多巴胺能神经元丢失和路易小体中α-突触核蛋白聚集为特征的进行性神经退行性疾病，全球约有610万患者。尽管运动症状是临床核心表现，但即使在PD早期阶段，广泛的皮质萎缩也已被充分记录，且脑萎缩与认知衰退、痴呆进展及运动结局密切相关。不同脑区对PD病理表现出不同的易损性，但其潜在机制尚不完全清楚。近年证据提示，区域差异性的基因表达谱可能促成这种选择性易损性，突触及疾病相关基因的过表达使某些区域更易发生萎缩。因此，阐明区域易损性的分子基础对于理解PD皮质变性的驱动机制至关重要。
PD在临床上具有高度异质性，以震颤为主型（tremor-dominant, TD）和姿势不稳/步态困难型（postural instability/gait difficulty, PIGD）为代表的两种运动亚型不仅在临床表现上存在差异，在疾病轨迹和预后方面也显著不同：PIGD患者通常表现出更快的运动进展、更大的残疾程度以及更高的认知衰退和痴呆风险。神经影像学研究进一步表明，灰质萎缩模式可区分这些亚型，PIGD表现出更广泛且更显著的皮质下受累。这种临床和结构差异提示TD和PIGD可能由不同的分子机制支撑，但亚型相关皮质易损性的转录组学基础仍知之甚少。
为此，研究人员采用整合性影像转录组学方法，将区域灰质体积模式与Allen人脑图谱（Allen Human Brain Atlas, AHBA）基因表达通过偏最小二乘（partial least squares, PLS）回归相关联，旨在识别PD及其临床亚型中共享和亚型特异性的萎缩转录组学相关特征，并检验PIGD和TD是否表现出不同的分子谱，以及这些差异（尤其是突触和神经递质系统方面的差异）能否解释PIGD中不成比例的皮质下和认知受累。
二、研究设计与主要技术方法
研究从三个中心（邵逸夫医院、宁波第二医院、苏州大学附属第四医院）回顾性纳入2020至2025年间99例PD患者（50例TD、47例PIGD、2例不确定型）和70例年龄、性别、教育程度匹配的健康对照（healthy controls, HCs）。所有受试者接受3T MRI扫描，采用基于体素的形态测量学（voxel-based morphometry, VBM）流程处理T1加权图像，使用Schaefer 7网络图谱（200个皮质分区）和Melbourne皮质下图谱进行灰质体积提取。以年龄、性别和颅内总体积为协变量，通过一般线性模型（general linear model, GLM）比较各组间灰质体积差异，并提取效应量构建萎缩表型向量。转录组数据来源于AHBA六个成年供体的全脑微阵列基因表达数据，经abagen工具箱处理后获得208个脑区、15633个基因的表达矩阵。PLS回归将基因表达矩阵与萎缩表型向量相关联，通过5000次自助抽样估计基因权重的统计显著性。随后依次进行功能富集分析（Metascape）、α-突触核蛋白病理相关基因富集分析（基于Wang等人荟萃分析获得的946个PD差异表达基因）、细胞类型富集分析（基于BRETIGEA反卷积算法估计六种经典细胞类型比例）以及神经递质系统映射（基于约1200名健康个体的16种受体/转运体PET密度图），并采用Moran谱随机化（Moran Spectral Randomization, MSR）控制空间自相关。
三、主要研究结果
3.1 人口学与临床特征
三组在年龄和性别分布上无显著差异。TD和PIGD患者的MMSE和MoCA评分显著低于HCs，HAMD评分显著高于HCs。PIGD患者的HAMA评分显著高于HCs，而TD与HC之间未达统计学显著。两个亚型之间，PIGD患者的HAMD和HAMA评分显著高于TD患者，而年龄、性别、MMSE和MoCA无显著差异。UPDRS评分方面，PIGD亚组在Part II和Part IV评分上显著高于TD患者。
3.2 PD区域灰质体积差异
与HCs相比，PD患者的灰质体积减少广泛分布于多个功能网络，包括默认模式网络（前额叶、颞叶、楔前叶/后扣带回、海马旁回）、体运动网络（辅助运动区、中央前回、中央后回、双侧壳核）、边缘网络（颞极、海马、伏隔核）、突显/腹侧注意网络、背侧注意网络、视觉网络和额顶控制网络。亚组分析显示，TD亚组表现出明显更局限的萎缩模式，主要限于默认模式、额顶控制、视觉和背侧注意网络，体运动和边缘网络受累有限。PIGD亚组则表现出跨多个功能网络的广泛灰质受累，以体运动网络（双侧壳核、中央前回、辅助运动区）、边缘网络（双侧海马、伏隔核、杏仁核、颞极）和默认模式网络最为突出。TD与PIGD直接比较仅发现两个名义显著差异区域：右侧背外侧前额叶皮质（TD萎缩更重）和左侧壳核（PIGD萎缩更重）。
3.3 与脑区体积相关的基因表达模式
全PD组的PLS1成分解释了基因表达与脑体积之间13.6%的跨区域协方差（pboot < 0.0001），识别出364个PLS1+和361个PLS1?基因。PIGD亚组的PLS1解释了9.9%的协方差，但未达统计学显著（pboot = 0.53），识别出422个PLS1+和335个PLS1?基因，相关发现被视为探索性结果。TD亚组表现出统计学稳健的空间协方差，PLS1解释15.3%的协方差（pboot = 0.029），识别出310个PLS1+和378个PLS1?基因。
3.4 亚组间的共享与差异模式
两个亚组间共享78个PLS1+基因和104个PLS1?基因，构成PD临床表型区域萎缩易损性的核心转录组学特征。其余基因为亚组特异性。对TD与PIGD直接灰质体积差异图进行PLS回归得到的基因集与两亚组共享基因无重叠，支持其代表亚型特异性分子特征。
3.5 功能富集分析
全PD组的PLS1+基因富集于线粒体能量代谢（三羧酸循环、丙酸代谢）、细胞骨架和微管调控、凋亡及T细胞谱系定向等生物过程；PLS1?基因主要富集于免疫与炎症、染色质与表观遗传、蛋白酶体功能、突触可塑性与神经传递、学习/记忆、钙信号转导等。PIGD亚组PLS1?基因在突触通路方面表现出更广泛的富集，包括谷氨酸能突触、树突棘、长时程增强和突触后致密区调控。TD亚组PLS1+基因主要涉及染色质、表观遗传和翻译调控，PLS1?基因与免疫炎症、突触和神经传递、蛋白质稳态及线粒体能量代谢相关。
3.6 病理相关基因富集
PIGD亚组中44个PLS1+基因和16个PLS1?基因与PD差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）重叠，其中PLS1+基因显著富集于α-突触核蛋白病理相关基因，主要涉及线粒体能量代谢和突触结构。TD亚组中18个PLS1+基因和30个PLS1?基因与PD DEGs重叠，其中PLS1?基因显著富集，主要涉及突触结构和信号转导。
3.7 细胞类型富集
全PD组和PIGD组中，灰质体积差异图与星形胶质细胞、少突胶质前体细胞（oligodendrocyte precursor cells, OPCs）和少突胶质细胞比例存在显著空间关联，TD亚组仅与少突胶质细胞存在关联。多数关联在控制空间自相关和多重比较后仍保持显著。
3.8 神经递质系统映射
全PD组的灰质体积与多巴胺能（D1、D2、DAT）、谷氨酸能（NMDA）、血清素能（5HT4、5HT6）、胆碱能（M1、VAChT）和GABA能（GABAa）系统呈显著负相关。PIGD亚组与多巴胺能（D1、D2、DAT）、谷氨酸能（NMDA）、血清素能（5HT4、5HT6、5HTT）、胆碱能（M1）和组胺能（H3）系统呈负相关。TD亚组仅与多巴胺能（D1）、血清素能（5HT1a、5HT6）、胆碱能（VAChT）和GABA能（GABAa）系统呈较局限的负相关。经FDR多重比较校正后，仅PIGD亚组的关联保持显著。优势分析显示，全PD组中NMDA受体（11.5%）和DAT（11.0%）是最重要的预测因子；PIGD亚组中NMDA（13.7%）和DAT（12.7%）仍为主导预测因子；TD亚组中5HT1a（17.6%）成为最重要预测因子，而DAT仅贡献5.4%。
四、讨论与结论
讨论部分指出，PIGD和TD亚型在萎缩模式和转录组学特征上既存在重叠又存在差异。PIGD表现出更广泛的皮质和皮质下受累，尤其在壳核、海马、伏隔核和杏仁核等皮质下结构，与既往神经影像学证据一致。共享的78个PLS1+和104个PLS1?基因提示PD神经退行性变的共同分子通路，包括神经炎症、线粒体功能障碍和早期突触损伤。PIGD特异性基因在突触通路（谷氨酸能突触、树突棘形态发生、长时程增强、突触后致密区组织、钙介导信号）方面富集更广泛，与其更快的疾病进展和更显著的认知衰退的临床特征一致。PIGD的PLS1+基因富集于线粒体能量代谢、细胞骨架和微管调控及凋亡通路，与线粒体功能障碍与PIGD表型的强关联以及微管不稳定性驱动神经退行性变的病理机制相符。TD亚组的PLS1+基因富集于染色质、表观遗传和翻译调控，与表观遗传加速老化与震颤进展的纵向关联一致；PLS1?基因富集于蛋白质稳态，与蛋白质稳态失衡加剧PD蛋白聚集的证据相符。细胞类型分析显示PIGD与星形胶质细胞、OPCs和少突胶质细胞相关，而TD仅与少突胶质细胞相关，其中星形胶质细胞活化标志物胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）在PIGD患者血浆中显著升高，支持星形胶质细胞相关神经炎症可能是PIGD亚型的区分特征。神经递质映射揭示PIGD涉及广泛的多巴胺能、谷氨酸能、血清素能、胆碱能和组胺能系统，而TD则表现为更局限的模式，其中TD与血清素能机制关联更强，PIGD则更显著涉及多巴胺能和谷氨酸能系统。
研究结论：该研究全面表征了PD及其临床亚型脑萎缩相关的转录组学特征，揭示了共享和亚型相关的分子机制，这些发现可能为靶向治疗策略的开发提供参考。研究同时承认若干局限性，包括AHBA数据来自健康供体的规范性基因表达而非疾病特异性转录变化、影像与转录组数据来自不同队列、未将病程和抑郁评分作为协变量、PLS识别的是相关性而非因果关系，以及PIGD组PLS1成分未达统计学显著限制了相关发现的强度。未来需要更大样本量的纵向多模态数据集和实验验证来确认这些相关性特征在临床决策中的应用价值。
