《npj Dementia》：Peripheral blood microarray-based transcriptomic and epigenetic analyses identify immune, inflammation, and metabolic dysregulation in Alzheimer’s disease
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摘要：利用多组学方法更深入地理解阿尔茨海默病（AD）发病机制背后的分子特征和通路，对于早期诊断和疾病修饰干预至关重要。研究人员对来自阿尔茨海默病神经影像学倡议（ADNI）的非西班牙裔白人参与者进行了外周血转录组（N=669）和表观基因组芯片分析（N=553），
摘要：利用多组学方法更深入地理解阿尔茨海默病（AD）发病机制背后的分子特征和通路，对于早期诊断和疾病修饰干预至关重要。研究人员对来自阿尔茨海默病神经影像学倡议（ADNI）的非西班牙裔白人参与者进行了外周血转录组（N=669）和表观基因组芯片分析（N=553），以识别AD的分子特征。研究人员识别出在AD中失调的特异性转录本（如MAPK14、GM2A、CD177）和共表达网络，其特征为APOE ε4基因型的强烈影响，并以免疫激活、炎症和代谢抑制的一致模式为标志。此外，这些外周特征与中枢AD病理（淀粉样蛋白PET、脑脊液p-tau181）和神经退行性变（血浆NfL、区域萎缩）相关，其中两个基因MXD3和NR4A1被识别为对从轻度认知障碍（MCI）向AD进展具有保护作用。该研究强调了APOE基因型在AD病理生理学中的重要性，并突出了用于生物标志物发现和个性化治疗策略的潜在靶点。
**论文解读：基于外周血多组学分析揭示阿尔茨海默病的免疫、炎症与代谢失调**
**一、研究背景与意义**
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种慢性神经退行性疾病，也是全球范围内导致痴呆的主要原因。其病理学特征主要表现为淀粉样蛋白-β（amyloid-beta, Aβ）斑块的进行性沉积和神经原纤维tau蛋白聚集，随后引发神经退行性变和最终的认知功能障碍。AD的病理改变通常在临床症状出现前数年就已开始累积，且暴露于淀粉样蛋白累积的时间与认知加速衰退及AD风险增加相关。重要的是，年龄和AD相关改变的程度，特别是发病、进展轨迹、临床表现和生物标志物表型，因人而异。尽管神经影像学已提升了检测结构萎缩、突触功能障碍和病理性蛋白聚集的能力，但对驱动疾病异质性及病理发生、进展轨迹和患者特异性表型表现的分子机制的理解仍存在显著空白。阐明这种异质性背后的生物学通路对于开发精准医学方法至关重要。
外周血转录组学和表观遗传学为揭示驱动AD的分子易感性提供了可及的多系统视角。新兴证据表明，外周变化通过免疫激活、血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）破坏和细胞外囊泡的外泌体转运等机制反映中枢神经病理。虽然已有研究分别识别了AD中DNA甲基化（DNA methylation, DNAm）和信使核糖核酸（messenger ribonucleic acid, mRNA）基因表达的改变，但整合这两个“组学”层面能够更全面地揭示表观遗传修饰如何调控转录输出以驱动疾病表型。然而，这些外周分子特征与特定AD病理（如淀粉样蛋白和tau蛋白累积）及神经退行性变的纵向轨迹之间的关系仍不清楚。此外，AD发病受遗传和生物学风险因素的强烈影响，尤其是APOE ε4状态和性别。AD患病率和进展中的性别二态性已有充分记录，女性患病率更高、认知衰退更快，但外周血中性别特异性的分子驱动因素仍待探索。同样，APOE ε4等位基因是散发性AD最强的遗传风险因素，但外周免疫和炎症特征在多大程度上独立于APOE基因型或由其驱动，仍需阐明。
**二、研究内容与结论**
该研究利用ADNI队列中非西班牙裔白人（non-Hispanic white, NHW）参与者的多组学数据，以识别与AD相关的外周分子特征。研究分析了669名参与者的全基因组外周血基因表达谱和553名参与者的DNAm谱。通过差异表达基因分析，研究识别出11个转录本（对应9个独特基因）在AD中显著失调，其中10个上调（包括MAPK14、GM2A、TMEM132A、CREB5、CD63、CD177、MXD3和IRAK3），1个下调（NR4A1）。基因集富集分析显示，AD中上调基因富集于免疫和炎症过程、细胞应激、凋亡、血管功能和BBB完整性等通路，而下调基因富集于DNA修复、线粒体生物能量学和细胞生长增殖等通路。敏感性分析表明，在调整APOE ε4携带状态后，仅MAPK14、GM2A和CD177仍显著上调，提示大部分转录组特征依赖于APOE基因型。加权基因共表达网络分析（WGCNA）识别出4个与AD显著相关的基因模块。甲基化分析虽未发现单个CpG位点显著差异，但共甲基化网络分析识别出2个在AD中显著上调的CpG模块。多组学因子分析（MOFA）整合了转录组和表观基因组数据，识别出一个与AD显著相关的潜在因子。该研究发表在《npj Dementia》。
**三、主要技术方法**
该研究使用了以下关键技术方法：（1）基因表达谱分析：采用Affymetrix Human Genome U219芯片对外周血样本进行转录组分析；（2）DNA甲基化分析：采用Infinium MethylationEPIC BeadChip芯片进行全基因组DNAm分析；（3）加权基因共表达网络分析（WGCNA）：用于识别高度相关的基因和CpG位点模块；（4）多组学因子分析（MOFA）：整合转录组和表观基因组数据以识别潜在因子；（5）基因集富集分析（GSEA）和过表达分析（ORA）：用于通路注释。样本来自ADNI-GO/2队列。
**四、研究结果**
**1. 血液转录组芯片分析揭示免疫失调（部分由APOE驱动）**
差异表达分析识别出11个在AD中显著失调的转录本。GSEA显示，AD中上调基因富集于免疫/炎症、细胞应激、凋亡、血管功能等通路，下调基因富集于DNA修复、线粒体功能、细胞增殖等通路。调整APOE ε4状态后仅3个基因（MAPK14、GM2A、CD177）保持显著。该转录组特征与AD内表型相关，且与临床诊断无关。
**2. 转录组特征与AD内表型和进展的关联**
较高GM2A、CD177和NR4A1表达与较高脑脊液磷酸化tau（p-tau181）水平相关；较高CD177表达与较低海马体积相关；较高IRAK3表达与较薄meta-ROI皮层相关。纵向分析显示，较高CD63表达与较快淀粉样蛋白累积速率相关，而较高MXD3、IRAK3和CD63表达与较慢血浆NfL增加速率相关。生存分析表明，较高MXD3和NR4A1基线表达与MCI向AD进展风险显著降低相关。
**3. WGCNA识别稳健的免疫网络**
WGCNA识别出37个基因模块，其中4个在AD中显著改变。上调的“mRNA-red”模块富集于免疫/炎症、细胞应激等通路；下调的“mRNA-pink”、“mRNA-salmon”和“mRNA-midnightblue”模块富集于蛋白稳态、DNA修复、线粒体生物能量学等通路。性别分层分析显示，男性有1个上调模块，女性有5个改变模块，提示性别特异的分子特征。
**4. AD相关基因模块与内表型的关联**
“mRNA-red”模块与较快脑淀粉样蛋白累积和较慢血浆NfL增加相关；“mRNA-pink”模块与较慢脑淀粉样蛋白累积和较快血浆NfL增加相关。男性中“mRNA-magenta”模块模式与“mRNA-red”相似；女性中不同模块分别与认知功能、结构指标等关联。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，该研究的一个关键发现是APOE ε4基因型对外周分子特征的强烈影响。调整APOE ε4携带状态后，差异表达基因数量从11个降至3个，提示文献中报道的大部分外周免疫失调可能是APOE ε4等位基因本身的表型读数，而非淀粉样蛋白或tau病理的下游后果。MAPK14、GM2A和CD177作为APOE独立的AD特征具有重要价值。研究结果为免疫耗竭假说提供了支持：NR4A1在AD中显著下调及“DNAm-purple”共甲基化网络在AD中显著上调。研究还强调了蛋白稳态和线粒体生物能量学通路的稳健下调，支持AD的“生物能量衰竭”假说。性别分层网络分析揭示了男性和女性AD分子特征的差异。网络分析发现的模块异质性提示外周免疫失调并非单一模式。研究局限性包括样本仅限于NHW人群、甲基化信号较弱、组学数据为横断面等。
研究结论：多组学分析识别出以免疫激活和代谢抑制为特征的AD外周特征。研究表明，外周AD谱系的显著部分由APOE ε4状态驱动，强调在基于血液的生物标志物研究中需要考虑基因型。APOE独立标志物（如GM2A和CD177）以及保护性因子（如NR4A1）的识别，为理解AD系统生物学和开发精准医学干预提供了新靶点。
