脑5-羟甲基胞嘧啶全基因组图谱揭示阿尔茨海默病表观遗传调控新机制

编辑推荐：为解析阿尔茨海默病(AD)的表观遗传机制，美国Rush大学等团队通过hMe-Seal技术对1079例尸检脑组织进行5hmC全基因组分析，发现2821个差异羟甲基化区域(DhMRs)与AD病理显著相关，其中118个区域同时关联Aβ负荷和PHFtau缠结密度。该研究首次构建AD大脑5hmC全景图谱，揭示5hmC通过调控mTOR信号、γ-分泌酶复合物等通路参与AD发病，为开发新型表观遗传治疗靶点提供重要依据。

　　

阿尔茨海默病(AD)作为最常见的神经退行性疾病，全球患者已超过3500万。尽管全基因组关联研究(GWAS)已鉴定70余个AD风险位点，但遗传因素仅能解释约40%的发病风险。近年来，表观遗传调控特别是DNA甲基化(5mC)在AD中的作用备受关注，而其氧化产物5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)作为"第六种DNA碱基"，在脑组织中高度富集且与神经发育、衰老密切相关。然而，关于5hmC在AD中的全基因组分布特征及其与AD病理的关系仍存在三大关键问题：现有研究样本量小且结果不一致；缺乏多组学整合分析；区域特异性5hmC与AD分子病理的关联机制不明。

为解决这些问题，美国Rush大学医学中心联合埃默里大学等机构的研究团队，在《Nature Communications》发表了迄今最大规模的AD脑5hmC全基因组研究。通过对宗教 orders研究(ROS)和记忆与衰老项目(MAP)队列1079例尸检脑组织(背外侧前额叶皮层)进行hMe-Seal测序，结合多组学数据分析，首次绘制了AD大脑5hmC全景图谱，揭示5hmC通过调控关键信号通路参与AD发病的新机制。

研究采用三大关键技术：1) hMe-Seal化学标记测序技术对尸检脑组织进行5hmC全基因组检测；2) 弹性网络(elastic net)算法筛选与AD病理相关的差异羟甲基化区域(DhMRs)；3) 整合同一批样本的RNA-seq、H3K9ac ChIP-seq和TMT-MS蛋白质组数据开展多组学分析。质量控制后保留197,765个高置信度5hmC区域，采用RUVr方法校正批次效应。

研究结果部分主要发现：

"描述性分析"显示队列平均死亡年龄89.5岁，AD患者占64.7%。5hmC在基因组呈非随机分布，约69%位于外显子区。

"差异羟甲基化区域"分析鉴定出2821个显著DhMRs(606个关联AD诊断，1542个关联Aβ负荷，1399个关联PHFtau)，其中93个区域同时关联三种病理表型。值得注意的是，85%的DhMRs呈现低羟甲基化状态，提示AD脑中存在广泛的5hmC丢失现象。

"基因组特征"分析发现AD相关DhMRs显著富集在转录起始位点(TSS)和增强子区域，与染色质开放状态密切相关。43个DhMRs位于已知AD风险基因座(如RIN3、PLCG2)，且这种关联不受APOE基因型影响。

"多组学整合"揭示886个DhMRs与邻近基因表达显著相关，其中阳性关联占72%。蛋白质互作网络分析显示这些基因显著富集于mTOR信号、γ-分泌酶复合物、SWI/SNF染色质重塑复合物等AD相关通路。

"共定位分析"发现12号染色体上DhMRs(C12P044736)与AD风险基因SCARB1和SLC24A4/RIN3存在共定位(PP4>0.8)，提示这些5hmC变异可能通过调控基因表达影响AD病理。

讨论与结论部分指出，该研究首次系统描绘了AD脑5hmC全基因组图谱，有三项突破性发现：1) 鉴定出118个核心DhMRs可解释34.9%的Aβ负荷变异，优于既往甲基化研究；2) 揭示5hmC通过"表观遗传-转录组-蛋白质组"级联调控参与AD发病的新机制；3) 发现PLCG2、RIN3等AD风险基因的5hmC调控模式。这些发现不仅为理解AD表观遗传机制提供新视角，更重要的是为开发基于5hmC的早期诊断标志物和靶向治疗策略奠定基础。研究也存在一定局限，如使用混合组织而非单细胞测序、样本以高加索人群为主等。未来研究可结合单碱基分辨率TAB-seq技术和多脑区分析，进一步阐明5hmC在AD中的细胞特异性调控网络。