《Frontiers in Aging Neuroscience》：Unraveling changes in mitochondrial processes influenced by ancestry in APOEε4 carriers with Alzheimer disease
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引言：APOEε4等位基因是迟发性阿尔茨海默病（AD）已知最强的遗传风险因素。然而，APOEε4的风险效应随祖源不同而有显著差异，非洲祖源（AF）个体表现出比欧洲祖源（EU）个体明显更低的风险。这种风险差异与APOE基因表达水平的不同相关。在此，研究人员探讨A
引言：APOEε4等位基因是迟发性阿尔茨海默病（AD）已知最强的遗传风险因素。然而，APOEε4的风险效应随祖源不同而有显著差异，非洲祖源（AF）个体表现出比欧洲祖源（EU）个体明显更低的风险。这种风险差异与APOE基因表达水平的不同相关。在此，研究人员探讨AD APOEε4携带者脑细胞中的线粒体过程是否也受祖源影响，从而可能促成所观察到的风险差异。
方法：研究人员对17例APOEε4纯合的AD患者额叶皮层进行了单核RNA测序，这些患者具有非洲局部祖源（AF-LA；N=7）或欧洲局部祖源（EU-LA；N=10）。比较了AF与EU样本间的差异基因表达，特别关注线粒体通路。分别使用MAST和PathFindR进行差异表达和功能富集分析。使用MitoXplorer识别差异线粒体过程，而REACTOME用于构建调控网络。
结果：多种细胞类型和生物学过程导致了AF与EU祖源个体之间观察到的APOEε4风险差异。与EU样本相比，AF星形胶质细胞表现出较弱的反应性表型，且L6和L5/6兴奋性神经元在AF中似乎较不易受损。相对于AF对应样本，EU-LA APOEε4 AD携带者的线粒体改变更为显著。高表达APOE的细胞（星形胶质细胞、小胶质细胞和血管软脑膜细胞）显示出线粒体基因表达增加，尤其在EU-LA样本中。研究人员在EU样本中观察到促凋亡、氧化磷酸化和线粒体自噬相关基因的表达增加。调控网络分析确定转录因子PPARG是连接APOEε4表达与线粒体基因程序的潜在中介因子，且具有细胞类型和祖源依赖性。
结论：研究人员的单核RNA测序分析表明，与祖源相关的APOEε4表达调控影响AD中的线粒体转录组和星形胶质细胞激活。EU祖源中更强的APOE–PPARG–线粒体基因偶联（尤其在星形胶质细胞中）可能是AD风险增加的基础，而AF祖源则赋予这些通路的部分解偶联。这些结果强调了在AD研究中考虑祖源的重要性，并提示针对线粒体和胶质通路的精准治疗策略应考虑APOE局部祖源。
**研究背景与科学问题**
阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经退行性疾病，病理特征包括淀粉样β（Aβ）斑块、tau神经原纤维缠结以及广泛的分子和代谢功能障碍，其中线粒体稳态受损尤为突出。APOEε4等位基因是迟发性AD最强的遗传风险因素，但其风险效应在不同祖源人群中差异显著：非洲祖源（AF）个体的AD风险显著低于欧洲祖源（EU）个体。已有研究显示，这种风险差异与APOE基因周围的局部祖源（LA）相关，并且EU局部祖源的APOEε4纯合携带者脑组织中APOEε4表达水平高于AF局部祖源携带者。此外，APOEε4与线粒体自噬受损、钙稳态改变、线粒体动力学异常、氧化应激增加及生物能量缺陷密切相关。然而，祖源驱动的APOEε4表达差异是否影响脑细胞中的线粒体功能及细胞类型特异性转录程序，此前尚不清楚。为此，研究人员利用单核转录组数据，系统比较了AF与EU局部祖源AD患者脑内多种细胞类型的线粒体基因表达和调控网络。
**研究设计与主要方法**
研究人员从四个阿尔茨海默病研究中心（西北大学、埃默里大学、宾夕法尼亚大学、拉什大学医学中心）及迈阿密大学米勒医学院John P. Hussman人类基因组学研究所（HIHG）获得17例尸检脑样本，均为APOEε4纯合子，其中7例具有非洲局部祖源（AF-LA）、10例具有欧洲局部祖源（EU-LA）。对额叶皮层Brodmann 9区进行单核RNA测序（snRNA-seq）。使用Seurat流程进行聚类和细胞类型鉴定；用MAST进行差异表达分析；用PathFindR进行功能富集分析；用MitoXplorer 2.0数据库注释线粒体基因并评估线粒体功能过程；利用STRING、REACTOME和NetworkAnalyst构建蛋白质-蛋白质相互作用及调控网络；用Monocle3进行星形胶质细胞轨迹分析。
**主要研究结果**
**脑样本**：17例样本包括11例女性和6例男性，所有样本的BRAAK分期为IV-VI期，平均死亡年龄79±3岁，均经Sanger测序确认APOEε4纯合，且在APOE区域具有纯合的局部祖源。EU样本的全球祖源为95%-98%欧洲，AF样本平均84%非洲祖源。
**祖源特异性星形胶质细胞和神经元丰度变化**：整合共112,464个细胞核，划分为43个细胞簇，涵盖兴奋性神经元、抑制性神经元、少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质前体细胞（OPCs）、血管软脑膜细胞（VLMCs）和内皮细胞。大多数细胞类型比例在祖源间相似，但星形胶质细胞簇c7在EU样本中的细胞数量为AF的2倍，而AF样本中两个深层皮质第5/6层兴奋性神经元簇（c39和c41）的细胞数量为EU的2倍。
**APOE表达的祖源相关差异表达**：APOE在EU和AF样本中均表达于相同的细胞簇，但在9个簇中表现出显著的祖源间差异表达。EU样本中星形胶质细胞簇c1、小胶质细胞簇c42、少突胶质细胞簇c23和VLMC簇c30的APOE表达升高；部分神经元簇中APOE表达也存在祖源差异。
**祖源、APOE表达和线粒体基因表达**：高表达APOE的细胞簇同时具有较高的线粒体基因（MT-genes）表达，且在EU样本中这种相对升高更为显著。共检测到184个MT基因在祖源间差异表达，这些基因在多个细胞簇中表现出高度协调的表达方向变化。富集分析显示，这些差异涉及钙信号转导与运输、线粒体自噬、丙酮酸代谢、脂肪酸降解与β-氧化等关键线粒体过程。
**高APOE与MT基因相关簇中的基因表达调控**：对星形胶质细胞簇c1、小胶质细胞簇c42和VLMC簇c30构建调控网络，发现APOE表达与差异表达的转录因子PPARG直接相连。单细胞相关性分析显示，在EU祖源的星形胶质细胞和小胶质细胞以及AF祖源的小胶质细胞中，APOE与PPARG表达显著正相关，但在AF祖源的星形胶质细胞中不显著。通过该一级相互作用，APOE可能影响约8%-11%的线粒体基因网络。
**从静息到反应性星形胶质细胞的祖源特异性轨迹**：Monocle3轨迹分析以静息星形胶质细胞簇c1为起点、反应性亚群c8为终点。结果显示，EU样本中星形胶质细胞的拟时间值更大，向反应性状态进展的程度更深，而AF样本的轨迹更集中，进展程度较低。
**讨论与结论**
讨论部分指出，研究在APOEε4纯合并匹配局部祖源的晚期AD脑样本中，鉴定出祖源相关的细胞组成、APOE表达和线粒体基因程序差异，并汇聚于PPARG为中心的调控轴。EU局部祖源中更强的APOE–PPARG–线粒体基因偶联，尤其在星形胶质细胞中，可能解释EU人群AD风险升高；而AF局部祖源则表现为这些通路的部分解偶联，星形胶质细胞向反应性状态的转变也较为有限。研究还提及，既往PPARG激动剂临床试验结果不一，可能与细胞类型和APOE局部祖源相关的线粒体/免疫程序差异有关，因此未来针对APOE的精准治疗应考虑局部祖源分层。研究局限性包括：结论基于转录组特征，缺乏功能性线粒体测定；队列虽经匹配，但年龄、性别、组织处理等残余差异仍可能影响结果。
研究结论：研究数据凸显了线粒体相关转录特征和细胞脆弱性在APOEε4于不同祖源背景下所赋予风险中的潜在作用。研究强调，在AD中进行单细胞水平的祖源意识分析，以充分捕获基因型×祖源×细胞状态的相互作用，并为精准治疗和预防策略提供依据。
