解码阿尔茨海默病的复杂性

阿尔茨海默病影响着美国超过600万人，很少有FDA批准的治疗方法可以减缓疾病的进展。

为了发现潜在阿尔茨海默氏症治疗的新靶点，麻省理工学院的研究人员对阿尔茨海默氏症患者大脑中每种细胞类型中发生的基因组，表观基因组和转录组学变化进行了最广泛的分析。

研究人员使用来自400多个死后大脑样本的200多万个细胞，分析了随着阿尔茨海默氏症的进展基因表达是如何被破坏的。他们还跟踪了细胞表观基因组修饰的变化，这有助于确定特定细胞中哪些基因被打开或关闭。总之，这些方法提供了阿尔茨海默氏症遗传和分子基础的最详细的图片。

研究人员在今天发表在《细胞》杂志上的四篇论文中报告了他们的发现。这些研究由麻省理工学院Picower学习与记忆研究所所长Li-Huei Tsai和麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）计算机科学教授，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所成员Manolis Kellis领导。

“我们开始做的是将我们的计算和生物学专业知识融合在一起，并以前所未有的规模在数百人中公正地看待阿尔茨海默氏症 – 这是以前从未进行过的事情，”凯利斯说。

研究结果表明，遗传和表观遗传变化的相互作用相互影响，以驱动疾病的病理表现。

“这是一个多因素的过程，”蔡说。“这些论文共同使用不同的方法，指出阿尔茨海默病的收敛图景，其中受影响的神经元在其3D基因组中存在缺陷，这与我们看到的许多疾病表型有关。

复杂的相互作用

许多开发阿尔茨海默病药物的努力都集中在患者大脑中形成的淀粉样斑块上。在他们的新研究中，麻省理工学院的研究小组试图通过分析疾病的分子驱动因素，最脆弱的细胞类型以及驱动神经变性的潜在生物学途径来发现其他可能的方法。

为此，研究人员对来自宗教秩序研究/记忆和衰老项目（ROSMAP）的427个大脑样本进行了转录组学和表观基因组学分析，这是一项纵向研究，自1994年以来一直跟踪老年人的记忆，运动和其他与年龄相关的变化。这些样本包括146名没有认知障碍的人，102名轻度认知障碍的人和144名被诊断患有阿尔茨海默氏症相关痴呆的人。

在第一篇专注于基因表达变化的 Cell 论文中，研究人员使用单细胞RNA测序分析了这些样本中54种脑细胞的基因表达模式，并确定了阿尔茨海默氏症患者受影响最大的细胞功能。其中最突出的是，他们发现参与线粒体功能，突触信号传导和维持基因组结构完整性所需的蛋白质复合物的基因表达受损。

这项由前麻省理工学院博士后Hansruedi Mathys，研究生Zhuyu（Verna）Peng和前研究生Carles Boix领导的基因表达研究也发现与脂质代谢相关的遗传途径受到高度破坏。在去年发表在 《自然》 杂志上的研究中，蔡和凯利斯实验室表明，阿尔茨海默氏症最强的遗传风险称为APOE4，会干扰正常的脂质代谢，从而导致许多其他细胞过程的缺陷。

在Mathys领导的研究中，研究人员还比较了表现出认知障碍的人和没有认知障碍的人的基因表达模式，包括一些尽管大脑中有一定程度的淀粉样蛋白积聚但仍保持敏锐的人，这种现象被称为认知弹性。该分析表明，认知弹性强的人在前额叶皮层中拥有更大的两个抑制性神经元亚群。在患有阿尔茨海默氏症相关痴呆的人中，这些细胞似乎更容易受到神经变性和细胞死亡的影响。

“这一发现表明，即使在存在阿尔茨海默氏症病理的情况下，特定的抑制神经元群体也可能是维持认知功能的关键，”Mathys说。“我们的研究将这些特定的抑制性神经元亚型确定为未来研究的关键目标，并有可能促进旨在保护老龄化人群认知能力的治疗干预措施的发展。

表观基因组学

在由前麻省理工学院博士后Xushen Xiong，研究生Benjamin James和前研究生Carles Boix PhD ‘ 22领导的第二 篇Cell 论文中，研究人员检查了92人发生的一些表观基因组变化，其中包括48名健康个体和44名患有早期或晚期阿尔茨海默氏症的人。表观基因组变化是DNA的化学修饰或包装的改变，这些改变会影响给定细胞内特定基因的使用。

为了测量这些变化，研究人员使用了一种称为ATAC-Seq的技术，该技术以单细胞分辨率测量基因组中位点的可及性。通过将这些数据与单细胞RNA测序数据相结合，研究人员能够将有关基因表达量的信息与有关该基因可访问性的数据联系起来。他们还可以开始将基因分组到控制特定细胞功能的调节回路中，例如突触通信 – 神经元在整个大脑中传递信息的主要方式。

使用这种方法，研究人员能够跟踪以前与阿尔茨海默氏症相关的基因中发生的基因表达和表观基因组可及性的变化。他们还确定了最有可能表达这些疾病相关基因的细胞类型，并发现其中许多细胞最常发生在小胶质细胞中，小胶质细胞是负责清除大脑碎片的免疫细胞。

这项研究还表明，随着阿尔茨海默病的进展，大脑中每种类型的细胞都会经历一种称为表观基因组侵蚀的现象，这意味着细胞的正常模式的可访问基因组位点丢失，这会导致细胞身份的丧失。

小胶质细胞的作用

在由麻省理工学院研究生Na Sun和研究科学家Matheus Victor领导的第三 篇Cell 论文中，研究人员主要关注小胶质细胞，小胶质细胞占大脑细胞的5%至10%。除了清除大脑中的碎片外，这些免疫细胞还对损伤或感染做出反应，并帮助神经元相互交流。

这项研究建立在Tsai和Kellis2015年的一篇论文的基础上，他们发现许多与阿尔茨海默病相关的全基因组关联研究（GWAS）变体主要在小胶质细胞等免疫细胞中活跃，远高于神经元或其他类型的脑细胞。

在这项新研究中，研究人员使用RNA测序将小胶质细胞分为12种不同的状态，基于每种状态下以不同水平表达的数百个基因。他们还表明，随着阿尔茨海默病的进展，更多的小胶质细胞进入炎症状态。蔡实验室此前也表明，随着大脑中发生更多的炎症，血脑屏障开始退化，神经元开始难以相互交流。

同时，阿尔茨海默氏症大脑中较少的小胶质细胞存在于促进体内平衡并帮助大脑正常运作的状态。研究人员确定了打开使小胶质细胞处于稳态状态的基因的转录因子，蔡实验室现在正在探索激活这些因子的方法，希望通过编程炎症诱导的小胶质细胞切换回稳态来治疗阿尔茨海默病。

脱氧核糖核酸损伤

在由麻省理工学院研究科学家Vishnu Dileep和Boix领导的第四 项Cell 研究中，研究人员研究了DNA损伤如何促进阿尔茨海默病的发展。蔡实验室以前的研究表明，DNA损伤可以在阿尔茨海默氏症症状出现之前很久就出现在神经元中。这种损伤部分是由于在记忆形成过程中，神经元会产生许多双链DNA断裂。这些断裂会立即修复，但随着神经元年龄的增长，修复过程可能会出错。

第四项研究发现，随着更多的DNA损伤在神经元中积累，它们修复损伤变得更加困难，导致基因组重排和3D折叠缺陷。

“当你在神经元中有很多DNA损伤时，细胞在试图将基因组重新组合在一起时，会犯错误，导致重排，”Dileep说。“我喜欢用的类比是，如果你在图像中有一个裂缝，你可以很容易地把它重新组合在一起，但如果你打破一个图像并试图把它拼凑起来，你就会犯错误。

这些修复错误还会导致一种称为基因融合的现象，当基因之间发生重排时，就会发生这种现象，从而导致基因失调。除了基因组折叠缺陷外，这些变化似乎主要影响与突触活动相关的基因，可能导致阿尔茨海默病的认知能力下降。

研究人员说，这些发现提高了寻求增强神经元DNA修复能力的方法的可能性，作为减缓阿尔茨海默病进展的一种方式。

此外，Kellis的实验室现在希望使用人工智能算法，如蛋白质语言模型，图形神经网络和大型语言模型来发现可能针对研究人员在这些研究中发现的一些关键基因的药物。

研究人员还希望其他科学家能够利用他们的基因组和表观基因组数据。“我们希望世界使用这些数据，”凯利斯说。“我们创建了在线存储库，人们可以在其中与数据交互，访问数据，可视化数据并即时进行分析。

该研究部分由美国国立卫生研究院和治愈阿尔茨海默氏症基金会CIRCUITS联盟资助。