一网打尽！Neuron ：梅奥诊所卜国军课题组揭示AD多因素互作的分子机制

阿尔茨海默病（Alzheimer disease, AD）是老年人常见的神经系统变性疾病，是痴呆常见的病因；全球目前至少有5000万痴呆患者，预计2050年这个数字将达到1.52亿。AD病理三大特征为老年斑、神经元纤维缠结、海马锥体细胞颗粒空泡变性和神经元缺失。临床特征为隐袭起病、进行性智能衰退，多伴有人格改变。一般症状持续进展，病程通常为5-10年。研究表明，年龄是偶发性AD最大的危险因素， AD发病率随年龄增长逐渐增加。此外，过往研究表明载脂蛋白E（APOE）基因型、环境因素、性别、神经递质功能障碍等均对AD疾病的发生和发展有重大影响。然而以上任一学说都不能完全解释AD所有的临床表现，表明AD是多因素共同调节的一类疾病。

2020年3月，来自梅奥诊所卜国军（Guojun Bu）教授课题组在神经科学顶级期刊《Neuron》上发表了论文“Alzheimer’s Risk Factors Age, APOE Genotype, and Sex Drive Distinct Molecular Pathways”。该研究通过大脑转录组和血液代谢组学系统的解析了年龄，性别和APOE基因型对于AD疾病发生的独特及其互作的分子途径。

研究材料

3个月、12个月和24个月大的雄性和雌性apoE2-TR、apoE3-TR和apoE4-TR小鼠的大脑皮层和血清；共18个不同的实验条件，每个条件下7-8只小鼠。

实验路线图

研究结果

1、转录组和代谢组学数据的整体分析

作者对不同年龄、性别和APOE基因型小鼠进行大脑皮层的转录组学以及血清代谢组学分析，方差分析（ANOVA）显示年龄是造成脑转录组差异的关键因素，而血清代谢组的差异主要受到APOE基因型的影响。进一步利用PCA分析发现，大脑样本中年轻组（3个月）、中年组（12个月）和老年组（24个月）三组发生明显分离；在血清样本中，在apoE2-TR小鼠和其他apoE-TR小鼠之间观察到明显的分离。

脑组织转录组和血清代谢组学结果的整体情况

2、不同APOE基因型、年龄和性别小鼠脑转录组学分析（WGCNA）

作者对不同APOE基因型小鼠大脑转录组数据进行WGCNA分析，发现与APOE2或APOE3基因型相比，APOE4基因型小鼠组中：与调节内肽酶抑制因子活性功能相关基因的lightcyan模块（Serpina3基因家族）上调，包含溶酶体代谢通路和嘌呤脱氧核糖核苷单磷酸代谢通路的青色模块显著下调。作者后续利用qPCR，原位杂交和western-blot对Serpina3n基因转录组结果进行证实。此外，作者通过对血清、肝脏中Serpina3n的检测表明APOE4组中Serpina3基因上调是脑特异性的。

不同年龄小鼠转录组学数据分析发现：蓝色模块显著上调，主要是与胞外囊泡相关基因：Anln、Arhgef10、B3galt5、Csrp1、Endod1、Plekhb1和Zcchc24；免疫应答功能基因（Trem2、Tyrobp和Cd68）富集的粉红色模块也呈现出与年龄显著相关性。后续作者用免疫组化证实免疫相关基因Cd68随年龄增长而增强，证实了年龄对激活小胶质细胞的影响。

小鼠脑组织转录组WGCNA分析

3、AD患者脑组织转录组数据分析

作者对之前发表的AD病人脑（前额叶皮层、颞叶皮层和小脑）转录组数据进行重新分析（AD与衰老的关系），发现免疫相关的粉色模块和EVs相关的蓝色模块在所有三个人脑数据集中都存在。与对照组相比，AD患者前额叶皮层和颞叶皮层中这两个模块均显著升高，与小鼠中的结果一致。

作者后续检测了SERPINA3和ATF4基因的表达水平发现，（与非携带者相比）APOE4携带者的SERPINA3和ATF4基因表达显著上调；AD病例中均显著上调。

人脑组织转录组数据分析

4、不同APOE基因型、年龄和性别小鼠脑转录组学差异基因及功能分析

作者对不同APOE基因型小鼠转录组进行比较分析，与APOE2或APOE3基因型相比，APOE4基因型的Serpina3家族基因上调，这与WGCNA中结果一致。进一步功能分析发现受APOE基因型影响的DEG在tRNA充电、白细胞介素-7（IL-7）信号、5-羟色胺受体信号、GP6信号和二十碳烯酸信号途径中显著富集。

不同年龄小鼠转录组比较发现受衰老影响的DEGs在补体系统和肾上腺素受体信号传导通路中显著富集。雌性和雄性小鼠脑转录组比较发现差异DEGs在雄激素信号传导、绵羊甾醇生物合成和突触长期抑制等途径中显著富集。

小鼠脑组织转录组差异基因及功能分析

5、不同APOE基因型、年龄和性别小鼠血清代谢组学分析（WGCNA）

作者对不同APOE基因小鼠血清进行代谢组学WGCNA分析，与APOE3或APOE4基因型相比，APOE2上调的模块中代谢物主要属于脂质代谢，而且脂质代谢与性别也有关系。与年龄显著相关的模块代谢物为氨基酸，生物胺以及酰基肉碱类。

小鼠血清代谢组WGCNA分析

6、不同APOE基因型、年龄和性别小鼠血清差异代谢物及功能分析

作者对不同APOE基因型小鼠血清代谢组进行分析，与APOE2或APOE3基因型相比，APOE4基因型显示出明显的脂质上调，这与WGCNA中结果一致。不同年龄小鼠血清代谢组比较发现最显著变化发生在早期，3个月后氨基酸和生物胺下调，酰基肉碱上调。与性别相关的代谢物大多是脂类，这表明性别对脂类代谢的影响可能受到其他因素的强烈影响，如APOE基因型。

小鼠血清差异代谢物筛选与功能分析

7、APOE基因型、年龄、性别三大因素对脑转录组和血清代谢组交互影响分析

作者鉴定了776个受APOE基因型、年龄和性别相互作用影响的脑DEGs，对top 20的DEGs进行聚类分析显示年龄与APOE基因型有较强的交互作用。数据表明年龄对脑转录组的影响会受到APOE基因型影响。性别效应在任何年龄组和APOE基因型组均不显著。

作者进一步确定了68例血清DEM受APOE基因型、年龄和性别的协同影响（Bonferroni校正p<0.05）。分层聚类显示，APOE2与APOE3和APOE4明显分离，脂质显著上调。在APOE2基因型中观察到年龄和性别对血清代谢物的影响，但在APOE3和APOE4中不太明显，进一步表明APOE2基因型是我们小鼠队列中不同血清代谢物谱的主要驱动因素。

小编小结

在这项研究中，作者对不同年龄，性别和APOE基因型小鼠进行脑转录组和血清代谢组分析，通过WGCNA分析和差异比较分析明确了年龄，性别和APOE基因型对于AD疾病发生的独特以及相互交叉的分子途径，为AD疾病分子机理深入解析提供了新的思路。