阿尔茨海默病及相关痴呆症神经病理损害的多中心尸检队列全基因组关联研究(GWAS)荟萃分析

《PLOS Genetics》：Genome wide association study meta-analysis of neuropathologic lesions of Alzheimer’s disease and related dementias in a multi-site autopsy cohort

　　

摘要：了解痴呆的遗传基础对于揭示其复杂的分子机制至关重要。鉴于临床诊断为阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)痴呆通常由多种潜在神经病理共病相互作用导致，既往针对临床确诊AD的全基因组关联研究(genome-wide association study, GWAS)在将遗传关联转化为潜在靶向治疗方面的能力受限。本研究通过对AD及AD相关痴呆(AD related dementias, ADRDs)的神经病理标志进行迄今最大规模的GWAS(n＝12,509)以弥补上述不足。研究人员进一步使用先前在临床诊断AD痴呆和帕金森病(Parkinson's disease, PD)的GWAS中已鉴定的位点进行候选变异分析，并利用连锁不平衡(linkage disequilibrium, LD)分数回归进行遗传力及遗传相关性分析。研究发现APOE在各AD和ADRD表型中均存在广泛的基因组显著性(full genome-wide significant)关联，但在脑血管疾病(cerebrovascular disease, CBVD)和血管性脑损伤(vascular brain injury, VBI)中无此关联。研究人员在10个神经病理表型中共鉴定出12个显著性位点，包括5个既往在临床AD和ADRD的GWAS中已报道的位点（BIN1、PICALM/EED、TMEM106B、GRN及SNCA/SNCA-AS1上的变异），以及7个新的全基因组关联位点（EPHA5、PSMG1、LINC00276、VAPA、LINC00290、DOCK4及SLAIN2/SLC10A4上的变异）。对AD和PD临床候选变异的分析显示，若干变异与AD神经病理改变(AD neuropathologic change, ADNC)及路易体病(Lewy body disease, LBD)相关，且与原发神经病理标志以外的病理损害存在大量重叠。遗传力分析显示淀粉样斑块的SNP遗传力最高(78%)，高于既往临床AD遗传力分析结果；TDP-43包涵体为中等(41%)；其余AD和ADRD病理特征遗传力较低。本研究强调了探究AD及ADRD潜在神经病理标志的重要性，可作为完善遗传关联向生物标志物解读及靶向治疗开发转化的步骤。

论文解读：《PLOS Genetics》—阿尔茨海默病及相关痴呆症神经病理损害的多中心尸检队列全基因组关联研究荟萃分析

该研究发表于《PLOS Genetics》。晚发性痴呆通常为多种神经病理过程（阿尔茨海默病神经病理改变AD neuropathologic change, ADNC：包括β-淀粉样蛋白斑块amyloid plaques, APs、神经原纤维缠结neurofibrillary tangles, NFTs、神经炎斑neuritic plaques, NPs；以及AD相关痴呆AD related dementias, ADRDs：脑血管疾病cerebrovascular disease, CBVD、血管性脑损伤vascular brain injury, VBI、路易体病Lewy body disease, LBD、海马硬化hippocampal sclerosis, HS、边缘区为主年龄相关TDP-43脑病limbic-predominant age-related TDP-43 encephalopathy, LATE-NC伴TDP-43蛋白病）共同叠加作用的结果，而临床诊断AD痴呆常混有多种共病。既往基于临床AD诊断的GWAS无法区分某一位点究竟关联哪种具体病理，限制了其向治疗靶点的转化。为此，研究人员收集并统一了多中心尸检队列的脑病理评分与基因型数据（n=12,509），以经共识协议评估的特定神经病理表型（内表型endophenotype）替代临床诊断开展GWAS荟萃(meta-)分析，同时检验已报道的临床AD和PD GWAS候选变异在这些病理表型上的多效性(pleiotropy)，并估算各病理特征的SNP遗传力(SNP heritability, h²)及遗传相关性。研究确认APOE除CBVD/VBI外广泛关联AD/ADRD蛋白病，新发现多个与淀粉样斑块、动脉粥样硬化、梗死相关的新型风险位点，并量化了不同病理特征的遗传度差异，为精准解析痴呆异质性遗传架构及后续靶向生物标志物开发提供依据。

主要关键技术方法

研究人员整合阿尔茨海默病遗传学联盟(Alzheimer's Disease Genetics Consortium, ADGC)及其合作队列共12,509例50岁以上死亡个体（排除非AD/ADRD为主要病因者），具备尸检神经病理评分与基因分型/填充(imputation)后基因型数据。神经病理表型按NIA-AA（美国国家老龄化研究所-阿尔茨海默协会）共识方案统一为ADNC（A评分=Thal分期/淀粉样斑块程度、B评分=Braak分期/NFT程度、C评分=CERAD评分/NPs程度、ABC综合分）、脑淀粉样血管病cerebral amyloid angiopathy, CAA、CBVD（动脉粥样硬化atherosclerosis、小动脉硬化arteriolosclerosis）、VBI（梗死/腔隙infarcts/lacunes、微梗死microinfarcts）、LBD（分5级/3级/二元）、HS及TDP-43蛋白病评分。质控剔除低检出率样本/位点、性别不符、HWE偏离、亲缘对及祖先离群值后，按批次用Logistic或序次Logistic回归校正死亡年龄、性别及前三个主成分(principal components, PCs)，固定效应逆方差加权meta分析由METAL完成。候选变异分析比对Bellenguez等(2022)临床AD GWAS的78个位点和Nalls等(2019) PD GWAS的90个（可用100个）位点。SNP遗传力与遗传相关性采用去除APOE区域（±500 kb）后的LD分数回归(linkage disequilibrium score regression, LDSC)计算，通路富集用MAGMA（Multivariate Analysis of Gene-set Enrichment for GWAS）于FUMA平台进行。

研究结果

Dataset characteristics and pathologic phenotype correlations（数据集特征与病理表型相关性）

最终纳入12,509人（女53.5%，平均死亡年龄81.7±9.8岁，APOE ε4杂合37%、纯合9%）。ADNC各组分（AP、NFT、NP及ABC评分）强正相关(r²=0.70–0.87)，与APOE ε4、CAA及LBD中度相关(r²=0.14–0.51)；CBVD两项指标中度相关；CAA与CBVD弱相关；VBI两指标中度相关；TDP-43评分与HS中度相关(r²=0.32)。约85%有淀粉样斑块，81%有中-重度NFT，90%有一项及以上CBVD表现。

Genome-wide significant APOE associations with neuropathologic lesions（APOE与神经病理损害的基因组显著性关联）

在校正死亡年龄和性别后，APOE区域对NFT、NP、AP、CAA、LBD、HS及TDP-43蛋白病具全基因组显著性(genome-wide significant, GWS)关联，但对CBVD（动脉粥样硬化、小动脉硬化）和VBI无显著性关联。

GWS associations with ADNC（ADNC的GWS关联）

除APOE外，BIN1位点（rs6733839，最小P_B=1.4×10^?16）对NPs(C评分)和NFTs(B评分)呈GWS关联；PICALM/EED位点（rs3851179，P=4.0×10^?8）对NPs呈GWS关联。淀粉样斑块(amyloid plaques, APs)存在与否检出两个新GWS位点：EPHA5/LINC02232附近（rs144823952，P=2.5×10^?8）和PSMG1附近（rs2836880，P=2.4×10^?8）。Thal分期和Braak分期结果与衍生A、B评分相似。除EPHA5位点存在名义效应异质性外，其余无显著异质性。

GWS associations with ADRD lesions（ADRD损害的GWS关联）

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  CBVD： 动脉粥样硬化关联LINC00276（rs41446051，P=4.2×10^?9）和VAPA（rs206499，P=1.5×10^?8）；任意CBVD（动脉粥样+小动脉硬+CAA）关联4号染色体基因间区（rs112992465，P=1.4×10^?8）。CAA除APOE外未见GWS。
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  VBI： 梗死/腔隙存在与否关联DOCK4（rs6976029，P=1.1×10^?8）。
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  LBD： 初模型GWS关联APOE；以APOE ε4计数为协变量后次级模型显示SNCA/SNCA-AS1（rs3806789，最小P=2.8×10^?8）呈GWS关联。
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  TDP-43 proteinopathy and HS（TDP-43蛋白病与HS）： HS关联APOE（rs429358）、TMEM106B（rs4721058，P=1.9×10^?15）和GRN（rs5848，P=1.3×10^?10）；TMEM106B在HS表型中存在名义效应异质性。

Candidate variant associations AD-candidate genetic variant associations with ADNC and ADRD lesions（临床AD候选变异与ADNC/ADRD的关联）

Bellenguez等78个AD候选变异中，12个经Bonferroni校正后与一项及以上ADNC评分显著关联；38个与至少一项ADNC表型名义显著关联。其中24个与ADNC及≥1种ADRD均关联，24个仅与ADRD（非ADNC）关联，40个不与任何ADNC关联。部分变异还关联LBD（SORL1、BIN1、SPI1等）、CAA（SORL1、CLU等）、HS/TDP-43/CBVD/VBI。

PD-candidate genetic variant associations with ADNC and ADRD lesions（临床PD候选变异与ADNC/ADRD的关联）

Nalls等90个PD候选变异中，11个与LBD关联（含SNCA、TMEM163、SCARB2等）；此外23个关联ADNC评分，29个关联ADRD病理（CAA、HS、TDP-43），表明ADNC/ADRD与临床PD共享部分遗传风险。

SNP heritability of ADNC and ADRD pathologic features（ADNC与ADRD病理特征的SNP遗传力）

Thal分期评淀粉样斑块严重度SNP遗传力最高(h²=0.78)；NPs中度(h²=0.24)；NFTs较低(h²=0.19)；TDP-43蛋白病h²=0.21–0.41；CAA存在h²=0.26；其余LBD、CBVD、VBI多h²<0.20。CAA与淀粉样斑块存在具显著遗传相关(P=0.04–0.044)，其余遗传相关估计因样本量受限不稳定。

Pathway and set-based tests（通路与集富集检验）

MAGMA富集分析显示AD相关表型顶级通路多与免疫相关（如B细胞RAS激活），亦含已知AD通路（细胞信号、淀粉样代谢、脂代谢）。

讨论与结论总结

研究人员呈现了迄今最大规模AD与ADRD神经病理损害的GWAS meta分析。确认APOE广泛关联五种蛋白病（AP、CAA、NFT、LBD、TDP-43包涵体），但在CBVD/VBI中无或仅名义关联，提示APOE对中枢淀粉样/tau/α-syn/TDP-43通路的广泛影响不同于外周血管病变。在10个疾病特异性病理表型中定位12个GWS位点——5个已知AD风险基因/区域（BIN1、PICALM/EED、TMEM106B、GRN、SNCA/SNCA-AS1）和5个新位点（EPHA5、PSMG1与淀粉样斑块；LINC00276、VAPA与动脉粥样硬化；DOCK4与梗死），拓展了痴呆病理的遗传图谱。候选变异分析揭示临床AD/PD GWAS风险等位基因可跨多种ADNC及ADRD产生多效性，印证临床诊断AD的异质性——同一临床终点可由不同病理组合介导，部分AD风险基因实则可能通过影响共病ADRD而非经典ADNC起作用。SNP遗传力分析示淀粉样斑块受多基因影响极强(h²达78%)，显著高于临床AD诊断遗传力，提示以明确神经病理内表型可减少表型噪音、提高遗传检测力。研究局限含样本量仍小于超大型临床GWAS、参与者缺乏族裔多样性、部分病理（如白质稀疏）尚无统一评分协议。总之，以尸检验证的神经病理内表型开展GWAS可厘清既往临床GWAS的混杂，部分遗传风险（如APOE、TMEM106B）为AD与ADRD所共享从而解释共病高发现象，新发现位点提供潜在突触韧性（EPHA5）、血管代谢（PSMG1、LINC00276、VAPA、DOCK4）等新干预方向，为将遗传关联精确转化为生物标志物解释及靶向治疗奠定基础。