《npj Dementia》：Methylomic signatures of tau and amyloid-beta in transgenic mouse models of Alzheimer’s disease neuropathology
编辑推荐：
为探究阿尔茨海默病（AD）病理早期的分子机制，本研究利用rTg4510（tau）和J20（Aβ）转基因小鼠模型，通过RRBS和甲基化阵列技术，系统描绘了内嗅皮层和海马在疾病进展中的DNA甲基化（DNAm）动态变化。研究揭示了tau与Aβ病理相关的广泛且部分特异的表观遗传重塑，发现了与神经元功能、凋亡、免疫和线粒体稳态相关的关键基因（如ANK1、PRDM16）的甲基化改变，并与人类AD大脑数据存在显著重叠。这些发现为AD的早期表观遗传机制提供了新见解，并突出了表观基因组学在识别早期干预靶点方面的价值。
阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是困扰全球数百万家庭的神经退行性疾病，其典型特征是进行性的记忆丧失和认知功能下降。在患者大脑中，可以观察到两种标志性的病理变化：由过度磷酸化的tau蛋白在神经元内聚集形成的神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs），以及由β-淀粉样蛋白（amyloid-β, Aβ）在细胞外沉积形成的老年斑。尽管科学家们对遗传风险因素有了不少了解，但这些病理变化究竟是如何启动和推动疾病进展的，其背后的精确分子机制依然笼罩在迷雾之中。近年来，表观遗传学，特别是DNA甲基化（DNA methylation, DNAm），被认为在AD的发病和进展中扮演着关键角色。一些针对人类死后大脑皮层的研究已经报告了DNAm的改变。然而，解读这些来自全表观基因组关联研究（epigenome-wide association studies, EWAS）的数据充满挑战，因为药物暴露、疾病晚期继发效应等多种混杂因素交织，使得我们难以区分哪些是疾病“因”的表观遗传改变，哪些仅仅是神经退行“果”的下游效应。为了拨开迷雾，在更可控的条件下探究早期机制，研究人员将目光投向了转基因动物模型。
在此背景下，一项发表于《npj Dementia》的研究应运而生。为了深入探究AD核心病理——tau和Aβ——所引发的早期表观遗传改变，并评估这些改变在模拟人类疾病的小鼠模型中的保守性，研究人员开展了一项系统性研究。他们利用两种广泛使用的转基因小鼠模型：模拟tau病理的rTg4510模型（表达人突变型MAPT基因）和模拟Aβ病理的J20模型（表达人突变型APP基因）。研究团队采集了这两个模型在不同年龄阶段（覆盖病理发展过程）的内嗅皮层和海马组织，这两个脑区在AD早期尤其易受攻击。他们采用了两种互补的高通量技术来描绘全基因组DNA甲基化图谱：简化代表性亚硫酸氢盐测序（reduced representation bisulfite sequencing, RRBS）和Illumina哺乳动物甲基化阵列。通过对转基因小鼠与野生型同窝对照进行对比，并结合免疫组化定量测得的tau和Aβ病理负荷进行关联分析，研究旨在揭示病理相关的特异性甲基化特征，比较不同病理类型和不同脑区之间的差异，并最终将这些发现与大规模人类AD大脑的表观遗传数据进行比对，以验证其转化相关性。
本研究主要采用了以下关键技术方法：使用rTg4510（tau）和J20（Aβ）转基因小鼠模型及其野生型同窝对照，采集多个时间点的内嗅皮层和海马组织；利用RRBS和Illumina哺乳动物甲基化阵列进行全基因组DNA甲基化分析；通过免疫组化对同一批小鼠脑组织中的tau和Aβ病理负荷进行定量；采用β回归模型进行差异甲基化位点（differentially methylated positions, DMPs）分析；使用GREAT工具进行功能富集分析；应用已校准的表观遗传时钟算法评估表观遗传年龄加速；通过亚硫酸氢盐焦磷酸测序对关键DMPs进行独立验证；并将小鼠数据与一项大型人类AD皮层组织EWAS荟萃分析的结果进行比较。
研究结果
DNA甲基化在tau和Aβ神经病理学小鼠模型中的分析：实验概述
研究人员系统构建了研究框架，对rTg4510和J20小鼠的内嗅皮层组织进行了RRBS和甲基化阵列分析，后续还利用甲基化阵列分析了海马组织。他们建立了包含数百万个CpG位点的DNAm数据集，并验证了不同技术平台间数据的高度一致性。分析主要聚焦于识别转基因与野生型之间的组水平DNAm差异，以及DNAm水平与定量的tau/Aβ病理负荷之间的关联。
rTg4510皮层中的DNA甲基化变化注释于调控神经元功能和凋亡的基因
在rTg4510模型中，研究人员在内嗅皮层识别出1143个与基因型相关的DMPs。这些变化不仅包括位于转基因插入位点附近基因（如Mapt、Prnp）的预期改变，还包括许多与其他基因相关的显著差异甲基化位点，例如与泛素-蛋白酶体系统调控相关的Dcaf5、与神经可塑性转录因子相关的Creb3l4，以及与神经元发育分化相关的As3mt。功能富集分析显示，这些基因显著富集于细胞凋亡、肌醇和鞘脂代谢等与tau病理高度相关的通路。进一步分析tau病理负荷相关的DNAm变化，发现了7486个DMPs，其中排名靠前的位点位于与寿命控制和AD相关神经元丢失有关的Cisd3基因上游，以及锌指转录因子Zfp423等基因内。这些结果表明，tau病理与神经元存活、可塑性关键基因的表观遗传调控改变密切相关。
J20皮层中的DNA甲基化变化注释于参与免疫和线粒体稳态的基因
在J20模型中，研究人员识别出2521个基因型相关的DMPs。与rTg4510模型相比，J20模型中的DNAm变化效应值总体上更小。显著的DMPs包括注释于核转运因子Nutf2、神经发育相关蛋白Tenm2等基因的位点。功能富集分析揭示了与神经炎症密切相关的通路，如细胞因子活性和细胞趋化作用。在分析Aβ病理负荷相关的DNAm变化时，发现了2136个DMPs。其中，最重要的变化位于G蛋白偶联受体激酶GRK2基因的内含子区，该激酶与Aβ生成和线粒体病变密切相关。其他关键变化还包括神经细胞粘附分子NCAM2、调控线粒体自噬的ZMIZ1以及蛋白精氨酸甲基转移酶PRMT8等基因。这些发现提示，Aβ病理相关的DNA甲基化改变主要涉及免疫反应和线粒体功能调控基因。
tau和Aβ相关的DNA甲基化变化在海马中更为显著
研究人员进一步比较了内嗅皮层和海马组织的DNAm变化。在rTg4510模型中，与tau病理相关的DMPs在海马中数量更多，且两个脑区之间的效应值具有中等相关性，共有1567个DMPs。一些位点（如Dennd1a和Rapgefl1）在两个脑区均为顶级DMPs。相比之下，在J20模型中，与Aβ病理相关的DMPs在两个脑区之间的重叠很少，总体效应值也不相关。这表明tau相关的DNAm变化在不同脑区之间更具一致性，而Aβ相关的变化则表现出更强的区域特异性。
tau积累与加速的表观遗传年龄相关
应用表观遗传时钟算法分析发现，在rTg4510模型中，年龄较大的转基因小鼠海马组织表现出显著的表观遗传年龄加速，但在内嗅皮层中未观察到。而在J20模型中，转基因小鼠并未表现出表观遗传年龄加速。这与先前人类研究结果一致，即表观遗传年龄加速与神经原纤维缠结（tau病理）的关联性强于与淀粉样蛋白负荷的关联。
DNA甲基化变化与人类阿尔茨海默病大脑中的变化平行
为了评估转化相关性，研究将小鼠数据与一项大型人类AD皮层EWAS荟萃分析结果进行比较。在rTg4510模型中，有38个（25.5%）与人类AD相关的同源基因也在小鼠中显示出与基因型或tau病理相关的显著DNAm变化。最显著的重叠位于Ank1基因的内含子区，该基因在人类AD大脑中持续高甲基化，此发现通过亚硫酸氢盐焦磷酸测序得到了独立验证。在J20模型中，有20个（13.4%）人类AD相关同源基因也显示出显著变化。尤为重要的是，有八个基因（包括Nrxn2、Prdm16等）在rTg4510内嗅皮层、J20内嗅皮层和人类AD大脑三个数据集中均存在相关的DMPs。其中，Prdm16/PRDM16基因座在人类和小鼠中均表现出高甲基化，该基因邻近一个对维持星形胶质细胞稳态至关重要的长链非编码RNA PRDM16-DT。这些发现有力地证明了转基因小鼠模型与人类AD大脑在DNA甲基化改变上存在显著交集。
研究结论与讨论
本研究在tau（rTg4510）和Aβ（J20）病理的转基因模型中，系统识别了与AD相关神经病理进展相关的内嗅皮层和海马DNA甲基化变化。这是迄今为止对tau和Aβ病理模型中脑表观遗传变异最全面的分析之一。
研究发现，tau和Aβ的进展与广泛且部分特异的DNA甲基化改变相关。在tauopathy模型中，DNAm变化涉及神经元功能、泛素信号和凋亡调控等多个关键基因和通路。而在Aβ模型中，DNAm变化虽然总体上更温和，但显著富集于免疫相关通路，并涉及突触组织和线粒体稳态相关基因，这突出了神经炎症在Aβ驱动疾病进程中的重要性。跨脑区比较表明，tau相关的DNAm变化在不同脑区之间表现出更强的一致性，而Aβ相关的效应则更具区域特异性。此外，研究还发现tau病理与小鼠海马组织的表观遗传年龄加速相关，这与人类研究结果相符。
最具转化意义的是，研究确定了一个子集的小鼠DNAm差异与人类AD死后皮层中报告的差异相呼应。例如，人类AD中tau病理的强健表观遗传标志物ANK1的高甲基化在rTg4510小鼠中得以重现。同样，Prdm16基因座在小鼠模型和人类大脑样本中一致的高甲基化，凸显了神经病理学中保守的表观遗传反应。这些交叉验证不仅强化了本研究发现的可信度，也支持了利用这些模型来剖析致病机制的实用性。
当然，研究也存在一些局限性，例如所用技术主要靶向基因组CpG富集区域，无法覆盖全基因组所有位点；部分DNAm变化可能直接源于转基因插入本身；小鼠模型无法完全复现人类疾病的全部复杂性；研究基于混合细胞类型的“整体”组织进行分析，可能掩盖细胞特异性的表观遗传特征；分析仅限于CpG甲基化，未涉及其他表观遗传层。
尽管如此，这项研究强调了与tau和Aβ积累相关的广泛DNA甲基化变化，并支持了表观遗传改变在疾病进程发展中起关键作用的假说。通过识别与tau和Aβ病理相关的模型特异性及保守的DNA甲基化特征，研究突出了可能提供机制见解并代表潜在治疗靶点的基因和通路（例如，参与抑制细胞衰老的SATB1和调控星形胶质细胞功能的重要基因PRDM16）。未来，整合纵向表观遗传组学、转录组学和蛋白质组学数据的工作，对于阐明这些改变在AD发病机制和进展中的因果作用至关重要。
