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迄今最大规模研究!NAT MED:蛋白组学揭秘阿尔茨海默病早期代谢紊乱

2020-06-04

阿尔茨海默病(AD)是一种起病隐匿,进行性发展的神经系统退行性疾病。临床以记忆障碍、失语、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征。细胞中β淀粉样斑块和神经元纤维缠结是AD的明显的特征,然而,涉及AD病理状态下脑细胞具体功能相关研究却很少。

今年4月,美国埃默里大学医学院研究团队在Nature Medicine(IF=30.641)上在线发表Large-scale proteomic analysis of Alzheimer’s disease brain and cerebrospinal fluid reveals early changes in energy metabolism associated with microglia and astrocyte activation的研究论文,作者对大规模群体进行蛋白质组学检测,并采用WGCNA分析挖掘AD关键蛋白模块(包括能量代谢),揭示能量代谢紊乱对阿尔茨海默病早期功能障碍的重要影响。            

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研究材料与组学技术

实验材料:453例人脑组织背外侧前额叶皮层,111例颞叶,46例楔前叶,年龄分组的84例背外侧前额叶皮层,331例不同神经退行性疾病的脑组织背外侧前额叶皮层,297例和96例的AD病人脑脊液

组学技术方法:label-free蛋白质组学,TMT标记蛋白质组学,PRM

技术路线图

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探索思路

1、组学初筛:WGCNA筛选AD相关蛋白模块

首先,作者对453例背外侧前额叶皮层(DLPFC)样本进行label-free蛋白质组学分析,共鉴定到3334个蛋白(校正后)。接着,作者利用WGCNA分析将其分成13个蛋白模块,其中6个模块(M5/M10/M4/M3/M6/M1)与AD相关表型呈现出强相关性。作者进一步对模块内蛋白进行GO分析,发现6个不同模块分别与细胞外基质,RNA结合及内含子剪接,糖代谢,线粒体,细胞骨架和突触功能直接相关。

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接着,作者对AD患者其他脑区样本(颞叶皮层,111例;楔前叶,46例)进行同样分析,在颞叶皮层中发现了同样的13个蛋白模块,而楔前叶鉴定到12个一致的蛋白模块, M1,M3,M4和M10在楔前叶中变化更加剧烈。以上结果表明AD进展中变化的保守性蛋白模块同时影响了其他脑区的功能。

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2、深入分析:风险因素(年龄)相关蛋白模块筛选

众所周知,年龄(衰老)是AD发病的一个重要的风险因素。为更好地筛选年龄相关蛋白模块,作者对不同年龄阶段(30-39,40-49,50-59和60-69岁)AD脑组织DLPFC样本进行蛋白质组学分析,发现M1模块(突触功能)蛋白随着年龄增加而降低,而M4模块(星形胶质细胞糖代谢相关)蛋白随着年龄增加而增加。此外,M6(细胞骨架)、M7(翻译)和M9(核糖体)均受到年龄影响,而M3和M10模块并未受到年龄的影响。

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3、对比分析:不同疾病中蛋白表达模块比较分析

为明确上述筛选出6个蛋白模块是否为AD所特有,作者同时比较了331例不同疾病[AD / 肌萎缩侧索硬化症ALS / 额颞叶变性FTLD-TDP / 进行性核上性麻痹PSP / 皮质基底节变性CBD / 帕金森病(痴呆)PD(PDD) / 多系统萎缩MSA]的脑组织蛋白模块变化情况。作者发现,M1模块和M4模块在FTLD-TDP和CBD中发生明显变化,与AD相似;M3和M10模块在不同疾病中变化十分复杂。接着,作者通过PRM蛋白组学(近1/3样本,323个蛋白)结合GWAS联合分析,发现M4模块内蛋白可反映AD进展中的脑组织相关的生物功能或过程。

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4、标志物筛选:脑脊液样本中验证脑内差异蛋白识别AD的潜力

为证实脑组织中差异蛋白(M4模块蛋白)能否作为AD脑脊液生物标志物,作者对两个独立AD群体(筛选队列 Cohort1-297例;验证队列 Cohort2-96例)脑脊液样本进行TMT蛋白质组学研究。结果显示,M4核心蛋白(CD44、LDHB和PKM)在两个队列中均可区分健康人和AD患者。此外,CD44,LDHB和PKM与AD独有病理及认知功能变化一致。以上结果说明,M4蛋白模块中CD44,LDHB和PKM蛋白可以作为AD脑脊液生物标志物。

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小结

首先,作者对阿尔茨海默病人脑组织样本进行大规模蛋白质组学分析,利用WGCNA分析发现13个蛋白模块,其中6个蛋白模块对AD呈强相关性。接着,作者对这些关键模块在AD患者不同脑区、不同年龄以及不同神经退行性疾病中进行对比分析,从中发现星形胶质细胞糖代谢相关蛋白与AD进展密切相关。最后,通过分析AD病人脑脊液蛋白质组成变化,筛选出3个M4模块的蛋白可在脑脊液中作为AD诊断标志物。

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