《Nature Communications》：Integrative epigenomic landscape of Alzheimer’s Disease brains reveals oligodendrocyte molecular perturbations associated with tau
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这项研究旨在阐明阿尔茨海默病（AD）病理异质性背后的表观遗传机制。研究者对472例AD大脑进行了针对DNA甲基化（DNAm）的表观基因组全关联研究（EWAS），并结合神经病理学和生化蛋白水平分析。他们开发了一种基于染色质状态的区域性甲基化（rCpGm）新方法，发现了5478个显著关联，其中99.7%与tau蛋白生化指标相关。通过整合转录组与甲基化组数据，研究揭示这些扰动富集于少突胶质细胞相关基因，包括已知的AD风险基因BIN1、与髓鞘形成相关的MYRF、MBP、MAG以及新基因LDB3等。研究进一步在独立的AD和原发性tau病数据集中验证了这些与tau相关的扰动的一致性，表明tau相关的少突胶质细胞基因扰动是跨tau病的共同潜在病理机制。相关成果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。
阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）是一种复杂的神经退行性疾病，其大脑病理特征具有显著的个体间和个体内异质性。这种异质性使得理解疾病的核心驱动机制和开发精准疗法变得困难。尽管遗传和环境因素已被证实与AD风险相关，但它们如何影响AD病理生理学中的特定内表型（如不同状态和水平的Aβ和tau蛋白）的分子机制尚未完全阐明。表观遗传机制，特别是DNA甲基化（DNA methylation, DNAm），被认为是连接遗传、环境和生活方式因素与基因表达的关键桥梁。以往的研究已发现AD脑中存在广泛的表观遗传和转录组失调，但大型、整合性研究尚未深入探究DNAm失调如何影响AD核心内表型（如Aβ和tau蛋白的特定生化状态）及其潜在的细胞类型特异性机制。为了填补这一空白，一项新的研究应运而生，旨在揭示AD脑整合表观基因组景观，并探索与AD核心病理相关的特定分子扰动，相关成果发表在顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
为了回答上述问题，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们利用来自梅奥诊所脑库的、经神经病理学确诊的472例AD捐赠者的大脑样本，构建了研究队列，并获取了颞叶皮层（Temporal Cortex, TCX）和小脑（Cerebellum, CER）的组织。其次，他们采用还原表征亚硫酸氢盐测序（Reduced Representation Bisulfite Sequencing, RRBS）技术对样本进行了全基因组DNA甲基化检测。同时，对TCX组织中的五种AD相关蛋白（APOE、Aβ40、Aβ42、总tau蛋白、磷酸化tau蛋白 (pTau, Thr231)）在三种组织分馏（可溶态(TBS)、膜结合态(TX)、不溶态(FA)）中的水平进行了生化测量，并收集了神经病理学指标（Braak分期、Thal分期、脑淀粉样血管病(CAA)评分）。此外，研究还开发了一种创新的区域性甲基化（regional CpG methylation, rCpGm）分析方法，将CpG位点的甲基化水平依据Roadmap表观基因组学联盟的15染色质状态模型（基于人类颞叶预测）进行区域平均，从而进行具有生物学意义的表观基因组关联分析（Epigenome-Wide Association Study, EWAS）。最后，研究整合了同一批捐赠者的TCX和CER组织的RNA测序（RNA-seq）数据，以探究DNA甲基化与邻近基因表达之间的关联。
研究结果
1. 基于预测染色质状态分组CpG甲基化是一种研究区域DNA甲基化水平的生物学相关方法
研究团队开发了一种新方法，将CpG甲基化位点依据预测的染色质状态区域进行平均，形成区域性甲基化（rCpGm）指标。验证发现，不同染色质状态注释的rCpGm平均水平与其预测的生物学功能高度一致（例如，静息、抑制和异染色质区域甲基化水平较高，而活跃的转录起始位点区域甲基化水平较低）。该方法在不同脑区（TCX vs. CER）和独立的外部数据集（ROSMAP, BDR）中均显示出可重复的稳健结果，证明了其生物学相关性和广泛适用性。
2. DNA甲基化主要与tau相关的脑内表型相关联
对单个CpGm位点和rCpGm区域分别进行EWAS分析。在TCX中，共发现5478个rCpGm与5个内表型（总tauTBS、pTauTX、pTauFA、APOETX、Aβ42FA）存在错误发现率（FDR）显著的关联。其中绝大多数（99.7%）与tau蛋白生化指标相关，特别是与总tauTBS（4424个）和pTauTX（1029个）关联最多。值得注意的是，有738个rCpGm同时与总tauTBS和pTauTX显著相关，且关联方向相反，这与这两个内表型本身的负相关性一致，提示它们可能共享但作用方向相反的分子机制。这些显著的rCpGm主要位于活跃的染色质区域（如活跃的转录起始位点、增强子等），表明它们可能在基因表达调控中具有功能重要性。
3. 在独立数据集中复制与tau神经病理学及其他AD相关内表型的DNA甲基化关联
研究在ROSMAP和BDR两个独立队列的DNA甲基化数据中，对上述738个高置信度的tau相关rCpGm进行了验证。通过测试这些rCpGm与Braak分期（tau病理指标）的关联，并设定生物学一致的方向标准（即与总tauTBS负相关、与pTauTX正相关的rCpGm，预期与Braak分期正相关），最终有93个rCpGm在一个或多个复制数据集中显示出名义显著且生物学一致的关联。这些rCpGm位于或靠近已知的AD风险位点，如JAZF1、BIN1、SPI1等，支持了研究发现与AD遗传风险的潜在联系。
4. Tau相关的rCpGm与附近少突胶质细胞及髓鞘相关基因的表达相关联
通过整合TCX的RNA-seq数据，研究人员发现上述93个高置信度rCpGm与附近459个基因的表达存在显著关联。基因集富集分析显示，这些基因显著富集于与“髓鞘形成正调控”、“胶质细胞生成”等相关的基因本体（GO）术语。更重要的是，它们显著富集于少突胶质细胞标记基因。其中包括已知的AD风险基因BIN1，以及髓鞘形成相关基因MYRF、MBP、MAG，和新基因LDB3等。这些少突胶质细胞基因的表达与其配对rCpGm的甲基化水平呈负相关，而与脑内tau水平（总tauTBS负相关，pTauTX正相关）存在生物学一致的关联。在调整了少突胶质细胞比例估计后，这些关联依然存在，表明其并非单纯由细胞比例变化驱动。
5. 跨疾病验证：tau相关的rCpGm-少突胶质细胞基因关联是tau病的共同特征
为探究这些发现是否AD特有，研究分析了进行性核上性麻痹（Progressive Supranuclear Palsy, PSP）和Pick病等其他tau病的数据。在PSP的DNA甲基化数据中，多数关键的少突胶质细胞相关rCpGm与PSP风险和Braak分期存在生物学一致的关联。此外，对多个已发表的AD、PSP、Pick病单细胞核RNA测序（snRNA-seq）数据集的分析表明，上述少突胶质细胞基因在少突胶质细胞簇中的表达，与疾病状态、Braak分期、神经原纤维缠结（NFT）负荷等tau相关内表型普遍存在负相关。这些跨疾病、跨研究、跨技术平台的一致性结果强烈提示，tau相关的、受DNA甲基化调控的少突胶质细胞基因扰动，是AD乃至其他tau病中一个共同的潜在病理机制。
研究结论与意义
本研究通过创新的区域性DNA甲基化分析方法和多组学整合策略，首次全面绘制了AD脑的整合表观基因组景观。核心发现是，AD脑中的DNA甲基化变异主要与tau蛋白的特定生化状态（而非Aβ）相关，并且这些表观遗传扰动富集于调控少突胶质细胞功能和髓鞘形成的基因。研究鉴定出93个高置信度的、与tau病理相关的甲基化区域，并发现包括BIN1、MYRF、MBP、MAG、LDB3在内的一系列少突胶质细胞基因的表达受到这些甲基化变化的调控，且与脑内tau水平变化相关。
更重要的是，这一“tau-DNA甲基化-少突胶质细胞基因”轴不仅在AD中得到验证，在PSP、Pick病等其他tau病中也显示出高度一致性。这表明，tau病理可能通过影响特定的表观遗传程序，导致少突胶质细胞功能紊乱和髓鞘异常，这可能是跨多种tau病的共同核心病理机制。少突胶质细胞和髓鞘的完整性对神经元轴突的信号传导和支持至关重要，其功能障碍可能直接导致认知衰退。
这项研究的意义重大：首先，它超越了传统的“AD vs. 对照”比较，将表观遗传变化与AD核心蛋白质的精确生化内表型直接关联，为理解AD病理异质性提供了新视角。其次，它首次在系统水平上将tau病理与少突胶质细胞的表观遗传和转录扰动联系起来，揭示了先前未被充分重视的细胞类型在tau病中的作用。最后，研究发现的共享病理机制为开发针对多种tau病的广谱疗法提供了新的潜在靶点。研究者已通过交互式网络应用程序“AD脑内表型多组学图谱”公开共享了所有数据和发现，这将极大促进科学界对AD表观遗传学的进一步探索。这项工作深化了我们对AD复杂病理机制的理解，并为未来开发新的诊断生物标志物和治疗方法奠定了重要的理论基础。
