《iScience》：Multi-region brain transcriptomes uncover two subtypes of aging individuals with differences in Alzheimer risk and the impact of APOEε4
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衰老人群的异质性提示存在分子水平上不同的亚组，这些亚组对阿尔茨海默病（AD）的易感性不同，但这种人群结构仍未被明确定义。研究人员对多区域脑转录组进行了无监督聚类，以评估整合认知相关脑区数据是否能揭示此类亚组。在由459名参与者组成的发现队列中，基于典型相关分析
衰老人群的异质性提示存在分子水平上不同的亚组，这些亚组对阿尔茨海默病（AD）的易感性不同，但这种人群结构仍未被明确定义。研究人员对多区域脑转录组进行了无监督聚类，以评估整合认知相关脑区数据是否能揭示此类亚组。在由459名参与者组成的发现队列中，基于典型相关分析，利用来自三个脑区（背外侧前额叶皮层、后扣带回皮层和尾状核前部）的RNA测序数据，随后在另外690名具有部分数据的参与者中进行重复，识别出两个元聚类（MC-1和MC-2）。这些组在认知轨迹上存在差异，与MC-1相比，MC-2的痴呆发病延迟了三年。这可能部分反映了tau病理对神经元染色质结构、白质丢失以及APOEε4相关认知衰退在MC-1中具有更大的影响。这些发现揭示了衰老大脑的分子人群结构，该结构调节了AD的易感性和韧性，并可能为靶向治疗和临床试验提供信息。
**衰老大脑异质性与阿尔茨海默病风险：基于多区域转录组的个体亚型研究**
**研究背景与问题**
随着年龄增长，老年人群在认知能力、认知衰退轨迹以及衰老相关脑病理累积方面表现出显著的异质性。在宗教秩序研究（ROS）和记忆与衰老项目（MAP）（统称ROSMAP）中，已发现超过230种独特的脑病理组合，且即使考虑六种已知脑病理类型，仍有超过50%的认知衰退方差无法解释，提示存在未知的生物学因素影响衰老大脑的功能。此外，已知的阿尔茨海默病（AD）风险因素如APOEε4等位基因在不同族群和年龄阶段的作用强度存在差异，表明风险因素的效果可能具有个体间和时相异质性。尽管已有大量遗传、环境和经验性风险因素被报道，但仍不清楚这些因素是对所有个体产生中等程度效应，还是仅在某些亚组中具有强烈作用，而在其他亚组中作用有限，从而导致群体水平上的弱效应。近期研究还强调了自噬功能障碍、线粒体自噬异常以及细胞间通讯改变等分子过程在AD发病中的作用，但这些过程可能与tau和APOE相关机制交互影响疾病进展。然而，由于缺乏定义生物学上有意义的衰老个体亚组的成熟策略，且适合此类问题的高维数据集直到最近才足够大以支持稳健分层，这一难题一直难以解决。以往针对AD的聚类研究多集中于单个脑区，并在已确诊AD患者中识别亚组，而本研究旨在利用ROSMAP中快速增长的多区域转录组数据，从非痴呆到晚期AD的全谱系老年个体中，进行数据驱动的全局脑状态结构定义，探索比单一脑区更广泛的模式，并关注认知和记忆回路。
**研究内容与结论**
研究人员对ROSMAP队列中1,149名参与者的尸检脑组织进行了三个认知相关脑区（背外侧前额叶皮层DLPFC、后扣带回皮层PCC、尾状核前部AC）的RNA测序分析。通过无监督聚类方法，在459名具有三个脑区完整数据的发现队列中，利用典型相关分析（CCA）提取跨区域的共享表达模式，随后进行k-means聚类和非负矩阵分解（NMF）整合，识别出两个元聚类（MC-1和MC-2）。在另外690名具有部分脑区数据的重复队列中，利用发现队列的CCA权重投影并整合，同样得到两个稳定的元聚类。MC-1个体表现出更快的认知衰退速率、更高的AD痴呆患病率、更高的β-淀粉样蛋白和tau病理负荷，以及更低的残余认知（即调整病理后最后评估时的认知表现）。更重要的是，MC-2个体痴呆发病中位年龄比MC-1延迟约3年（87岁 vs 90岁）。进一步分析显示，MC-1中tau病理对神经元染色质结构的表观基因组扰动更大（基于H3K9ac ChIP-seq数据），白质完整性（R2值）更低，且APOEε4对认知衰退的效应更强。差异表达基因富集于多种神经退行性疾病通路和突触信号通路，且转录组差异在蛋白质水平得到部分验证。细胞类型比例分析表明，MC-1中神经元比例降低，小胶质细胞呈现更“衰老”的转录特征。该亚型结构在外部数据集（MSBB和Mayo）中得到了部分验证，提示其具有可推广性。这些发现揭示了衰老大脑的分子人群结构，该结构调节着AD的易感性和韧性，可能为靶向治疗和临床试验提供信息。论文发表在《iScience》。
**主要技术方法**
本研究采用无监督聚类方法，核心步骤包括：在发现队列（n=459，来自ROSMAP队列，具有背外侧前额叶皮层、后扣带回皮层和尾状核前部三个脑区RNA-seq数据）中，应用稀疏多典型相关分析（CCA）提取跨区域共享的转录特征，然后对每个脑区的典型变量进行k-means聚类（最优2个聚类），最后通过非负矩阵分解（NMF）将三个脑区的区域聚类整合为两个元聚类（MC-1和MC-2）。在重复队列（n=690，来自ROSMAP，具有一个或两个脑区数据）中，使用发现队列的CCA权重计算典型变量，再根据最近质心分配区域聚类，并经NMF整合。验证使用了Mount Sinai脑库（MSBB）和梅奥诊所（Mayo）队列的外部数据。
**研究结果**
**1. 研究参与者和数据描述**
ROSMAP包含两个前瞻性衰老研究，招募基线非痴呆参与者，每年进行神经心理学评估，死后收集脑组织。共有1,149名参与者至少有一个脑区的转录组数据，其中459人三个脑区数据齐全（发现队列），690人只有一或两个脑区数据（重复队列）。参与者平均死亡年龄89.6岁，女性占67%，APOEε4携带者约25%，AD痴呆患病率约51%。
**2. 定义衰老人类大脑的人群结构**
通过CCA和k-means聚类，在三个脑区中均发现两个最优聚类，并通过NMF整合为两个元聚类（MC-1和MC-2）。两个聚类在不同方法（k-means、层次聚类、PAM）和重抽样中均表现出稳定性（Jaccard bootstrap均值>0.85）。在发现队列中，AC和PCC的聚类干净地映射到元聚类，DLPFC部分一致（85%），表明整合多区域的价值。
**3. 元聚类与临床病理特征的关系**
MC-1相比MC-2表现出更陡的认知衰退斜率（b=-0.025，pFDR=0.0001）、更高的AD痴呆风险（b=0.556，pFDR=0.001）和更低的残余认知（b=-0.224，pFDR=0.001）。MC-1的β-淀粉样蛋白负荷（b=0.210，pFDR=0.006）和tau病理负荷（b=0.198，pFDR=0.023）更高，新皮质路易小体也更多（b=0.476，pFDR=0.019）。调整淀粉样蛋白和tau后，认知衰退差异仍显著，提示存在额外机制。元聚类并非单纯区分痴呆与非痴呆，两类均包含大量痴呆参与者。
**4. 与认知衰退相关的其他因素**
MC-1的表观基因组tau评分（基于H3K9ac ChIP-seq）显著高于MC-2，且调整tau病理负荷后差异仍显著，提示tau下游分子事件未被病理定量完全捕获。MC-1的额叶白质完整性（R2值）更低（b=-0.217，p=0.007），且调整R2后认知衰退关联仍显著，表明白质破坏只是MC-1大脑状态的一个方面。APOEε4单倍型频率在两组间无显著差异，但MC-1中APOEε4纯合子更多，ε2/ε3组合更少。多基因风险评分和遗传主成分在两组间无差异，表明元聚类结构主要反映对风险因素和病理事件的反应差异，而非遗传易感性。元聚类解释了认知衰退方差中超出已知病理因素和R2之外的1.1%变异（p=0.003），与APOEε4的0%相比，其贡献接近新皮质路易小体负担的2.4%。
**5. 差异表达基因的通路分析**
在DLPFC中，MC-1与MC-2间有12,723个差异表达基因，富集于87个KEGG通路，包括多种神经退行性疾病（AD、肌萎缩侧索硬化、帕金森病）和内吞作用通路。AC和PCC结果高度相似。GO分析突出蛋白质靶向和突触传递/跨突触信号等神经元过程。
**6. 转录组衍生聚类结构传播至蛋白质组**
在DLPFC蛋白质组数据（335个样本，8,817个蛋白）中，差异表达蛋白与RNA水平方向一致，差异表达基因和蛋白的log2倍变化相关性为0.55（p<2.2×10
-16）。GO富集分析显示细胞蛋白复合物解装配等通路，与RNA水平一致。
**7. 细胞类型比例的差异**
MC-1中几乎所有细胞类型的推断比例均与MC-2有差异（p<1×10
-9），且在认知未受损个体中同样存在，提示细胞组成差异是早期特征，非AD晚期表现。MC-1中突触蛋白SNAP25水平降低，但调整神经元比例后仍显著，指示突触丢失。小胶质细胞“衰老”基因集（HuMi-aged）在MC-1中显著上调，提示小胶质细胞转录状态改变。
**8. 已知AD遗传风险因素在两个亚组中的异质性效应**
APOEε4对认知衰退的效应在MC-1中显著大于MC-2（p=0.003），部分归因于tau病理积累差异，但调整淀粉样蛋白和tau后仍显著。在病理AD亚组中，这一交互作用更显著（p=0.005）。未发现其他遗传风险因素或白质R2的交互证据。激活小胶质细胞的表观基因组因子（EFAM）仅在MC-1中与认知衰退相关，但未能解释APOEε4效应的差异。
**9. 元聚类分配的临床相关性**
生存分析显示，MC-1痴呆发病中位年龄为87岁，MC-2为90岁，延迟3年。75岁时MC-1的累积AD痴呆风险为16.3%，MC-2为11.6%。表明元聚类具有预后价值。
**10. 验证**
在MSBB和Mayo队列中，病理AD在MC-1和MC-2间的差异方向一致，跨队列荟萃分析显著（b=0.237，p=0.045）。APOEε4与元聚类的交互作用在外部队列中未得到验证，但样本量小限制了分析。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究通过大规模多区域转录组数据，基于CCA和NMF方法，识别出两个元聚类，它们反映了大脑分子状态，与认知衰退相关，且部分独立于已知病理。MC-1个体对风险因素（如APOEε4、tau病理）的反应更强烈，表现出更大的影响，而MC-2个体更具韧性。元聚类解释了约1%的认知衰退方差，其大小与新皮质路易小体负担相当。研究强调，这些元聚类是数据驱动的连续体划分，而非离散亚型。结论部分翻译如下：这些发现揭示了衰老大脑的分子人群结构，该结构调节了AD的易感性和韧性，并可能为靶向治疗和临床试验提供信息。
