跨物种与细胞类型特异性H3K27ac动态将脑衰老与阿尔茨海默病基因相关联

《Cells》：Cross-Species and Cell-Type-Specific H3K27ac Dynamics Link Brain Aging to Alzheimer’s Disease Genes

　　

活性H3K27ac标记在脑衰老过程中经历动态重塑，但其细胞类型特异性的调控作用仍不清楚。研究人员整合了来自衰老果蝇头部、小鼠NeuN⁺前脑神经元及人NeuN⁺/NeuN^?额叶皮层细胞的全基因组H3K27ac图谱与转录组数据。在果蝇中，年龄增益的差异（Δ）H3K4me1和H3K27ac峰分别与RNA加工和免疫应答基因相关联，提示存在不同的调控程序。尽管生物学重复有限，小鼠分析揭示了启动子相关ΔH3K27ac与年轻神经元中突触基因表达之间的强关联。年龄相关的基因体H3K27ac丢失与GTPase信号传导和囊泡运输相关基因表达升高相吻合。在人类（n = 29）中，NeuN^?细胞表现出比NeuN⁺细胞更多的年龄相关ΔH3K27ac改变。与年龄增益峰相关的基因富集于胶质细胞生成和淀粉样前体蛋白代谢过程，而年龄相关转录变化与超级增强子（SE）活性呈正相关。与泛组织衰老特征比较，揭示了NeuN⁺和NeuN^?细胞中共有和细胞类型特异性的年龄相关ΔH3K27ac模式。整合分析显示，NeuN^?细胞中年龄增益的ΔH3K27ac峰与AD相关ΔH3K27ac峰、差异表达的AD基因及AD GWAS连锁变异重叠，包括映射至BIN1和CR1的变异。这些发现强调了衰老NeuN^?细胞中广泛的H3K27ac重塑及其与AD相关分子改变的汇聚。

研究背景方面，增强子调控基因表达的时空特异性，通常以H3K4me1标记处于蓄势状态，以H3K27ac标记处于活跃状态。年龄相关的H3K27ac变化影响组织特异性转录程序，例如子宫内膜衰老伴随H3K27ac丢失和孕酮受体表达降低，而衰老骨骼肌中H3K27ac增加驱动细胞外基质基因上调。在小鼠脑内，衰老前脑NeuN⁺神经元中突触和离子转运基因的H3K27ac占据减少，而小脑中干扰素应答基因的H3K27ac占据增加。矛盾的是，衰老脑组织中炎症衰老基因的基因体H3K27ac水平降低却与其上调相关联，凸显了H3K27ac在衰老中依赖情境的调控作用。非诱变性双链DNA断裂可诱导小鼠细胞H3K27ac景观侵蚀并加速衰老表型，该过程可被Oct4-Sox2-KLF4介导的年轻化逆转。此外，靶向敲除HL-60细胞中IGF2BP3基因附近的H3K27ac峰可诱导衰老相关标志物表达。这些发现提示H3K27ac标记可能既反映又驱动生物学衰老。然而，H3K27ac在脑衰老中的细胞类型特异性调控作用及其与阿尔茨海默病（AD）的关联尚不清楚。为此，研究人员分析了衰老果蝇头部、小鼠NeuN⁺前脑神经元及人NeuN⁺和NeuN^?额叶皮层细胞的H3K27ac景观，并将人类H3K27ac数据集与AD多组学数据集及泛组织组蛋白特征进行整合，以检验年龄依赖性H3K27ac变化是否与AD相关分子改变和更广泛的表观遗传模式相关联。

在技术方法上，研究人员采用的主要关键技术方法包括：对果蝇头部进行天然MNase染色质免疫沉淀测序（Native MNase ChIP-seq）分析H3K4me1和H3K27ac标记；利用已发表的果蝇头部RNA-seq数据（GSE110349）进行差异表达分析；使用DiffBind和limma-voom框架分析小鼠NeuN⁺神经元及人NeuN⁺/NeuN^?细胞的H3K27ac ChIP-seq数据；采用BisqueRNA进行细胞类型去卷积分析；利用ROSE流程鉴定超级增强子（SE）；通过HOMER进行基序富集分析；使用regioneR进行置换检验评估基因组重叠显著性；并整合AD GWAS变异及其连锁不平衡（LD）代理变异进行交集分析。样本队列来源包括：果蝇w1118雄性头部（D10和D50）、小鼠前脑NeuN⁺神经元（3月龄n=3，24月龄n=2）、人额叶皮层NeuN⁺/NeuN^?细胞（29例神经健康对照，来自PsychENCODE）。

研究结果方面，第一，在衰老果蝇头部组织中，ΔH3K4me1和ΔH3K27ac峰与不同通路相关联。通过Native ChIP-seq和RNA-seq分析发现，D50老年果蝇头部上调的差异表达基因（DEGs）富集于免疫应答通路，而D10年轻头部上调的DEGs与代谢过程相关。ΔH3K4me1峰富集于参与RNA加工和生物发生的DEGs基因体内，而ΔH3K27ac峰位于免疫相关DEGs的TSS上游5 kb内，提示H3K4me1和H3K27ac标记的推定增强子在果蝇头部衰老过程中可能与不同基因类别相关联。第二，衰老小鼠NeuN⁺神经元中H3K27ac的相对丢失与双重调控作用。尽管生物学重复有限，研究鉴定出年轻小鼠神经元中15,279个年龄相关ΔH3K27ac峰，而老年小鼠仅69个。年轻神经元中启动子ΔH3K27ac峰升高的相关基因向更高表达偏移，富集于突触过程和树突发育。相反，GTPase信号传导和囊泡相关通路基因在衰老神经元中尽管ΔH3K27ac水平降低却上调表达。第三，ΔH3K27ac与衰老人类脑细胞中不同通路表达相关。在29例神经健康对照中，NeuN^?细胞比NeuN⁺细胞鉴定出更多年龄相关ΔH3K27ac峰。年轻NeuN^?细胞中，与ΔH3K27ac升高峰及一致表达相关的基因富集于细胞因子产生和ETS家族转录因子结合基序。衰老NeuN^?细胞中一致上调基因富集于胶质细胞生成、髓鞘形成和Aβ代谢过程，年龄增益峰富集于SOX家族TF和CTCF结合基序。第四，衰老NeuN^?细胞中年龄相关H3K27ac标记超级增强子的鉴定。与年轻细胞相比，衰老NeuN^?细胞表现出更多SEs，部分短于年轻细胞。年龄增益SEs具有组织特异性，与神经系统 curated SEs大量重叠。逻辑回归显示年龄增益SE活性与衰老NeuN^?细胞中基因表达呈正相关。第五，NeuN^?细胞中年龄增益ΔH3K27ac峰与多模态AD特征的汇聚。整合分析发现三个层面的汇聚：基因水平上与AD背外侧前额叶皮层（DLPFC）上调DEGs重叠；基因组区域上与AD少突胶质细胞和颞侧叶中AD特异性ΔH3K27ac增益重叠，包括DisGeNET curated AD基因相关区域；年龄增益峰中富集AD GWAS位点及其LD代理变异，包括BIN1和CR1。第六，NeuN^?细胞中年龄增益ΔH3K27ac峰与泛组织特征强相关。衰老NeuN^?细胞中启动子和基因体的年龄增益H3K27ac与泛组织特征一致性最强，而NeuN⁺细胞中年龄相关ΔH3K27ac峰与泛组织特征关联最弱，提示额叶皮层细胞中年龄相关H3K27ac变化既包含共有泛组织特征也包含细胞类型特异性特征。

讨论部分总结：跨物种比较分析揭示了共有和细胞类型特异性的调控模式。在衰老果蝇头部，年龄相关H3K4me1和H3K27ac变化与不同基因集的表达改变相关联，类似于发育型和管家型增强子的区分。在年轻人和小鼠NeuN⁺神经元中，启动子和基因体H3K27ac占据增加与突触组织和功能相关基因的更高表达相关联，提示H3K27ac标记的调控元件可能贡献于成年早期支持突触精炼和稳定的转录程序。NeuN^?细胞中鉴定出显著多于NeuN⁺神经元的年龄相关ΔH3K27ac峰。在年轻人类NeuN^?细胞中，H3K27ac占据和表达改变的基因富集于IL-2信号和GTPase介导信号通路。衰老人类NeuN^?细胞中上调基因表现出两种不同的ΔH3K27ac占据模式：第一种涉及启动子或远端增强子处年龄增益ΔH3K27ac，相关基因富集于胶质细胞生成、髓鞘形成和Aβ代谢过程，峰富集于SOX家族TF和CTCF结合基序；第二种表现为基因体ΔH3K27ac占据降低。AD脑的表观基因组分析已鉴定出AD相关基因处的H3K27ac富集。研究分析揭示了年龄增益ΔH3K27ac峰与AD相关特征之间的三个层面汇聚：基因水平上与AD DLPFC上调DEGs重叠；基因组区域上与AD特异性ΔH3K27ac增益重叠；年龄增益峰中富集AD GWAS位点及其LD代理变异。这些发现强调了非神经元额叶皮层细胞健康衰老与AD之间共享的遗传和表观基因组关联。

研究结论翻译：这些发现强调了衰老NeuN^?细胞中广泛的H3K27ac重塑及其与AD相关分子改变的汇聚。