整合系统生物学方法揭示阿尔茨海默病神经退行性变的分子机制

为阐明阿尔茨海默病(AD)神经元死亡的分子机制，研究人员通过果蝇全基因组筛选结合多组学整合分析，发现HNRNPA2B1和MEPCE调控tau蛋白毒性，证实CSNK2A1和NOTCH1通过DNA损伤通路介导神经退行性变。该研究为AD治疗提供了新靶点，发表于《Nature Communications》。

　　

阿尔茨海默病(AD)作为最常见的神经退行性疾病，其核心病理特征包括β淀粉样蛋白(Aβ)斑块和tau蛋白神经原纤维缠结。尽管经过数十年研究，神经元死亡的分子机制仍不完全清楚。动物模型和人类遗传学研究揭示了部分致病基因，但如何整合这些发现并转化为治疗策略仍是重大挑战。

美国麻省理工学院Ernest Fraenkel团队联合多个研究机构，通过创新的系统生物学方法揭示了AD神经退行性变的关键机制。研究人员首先在果蝇中进行了全基因组规模的转基因RNAi筛选，发现198个导致年龄依赖性神经退行性变的基因。这些基因的人类同源物在AD患者易损脑区呈现年龄相关的表达下降，提示其保守的神经保护功能。

研究采用了多物种、多组学的整合策略：在果蝇tau^R406W和Aβ_1-42转基因模型中获取蛋白质组、磷酸化蛋白质组和代谢组数据；通过激光捕获显微切割获取人类颞叶皮层锥体神经元进行RNA测序和表达数量性状位点(eQTL)分析；并整合已发表的AD全基因组关联研究(GWAS)、脂质组学等数据。运用"奖励收集Steiner森林"算法构建蛋白质-蛋白质/蛋白质-代谢物相互作用网络，识别出与AD相关的生物过程亚网络。

研究发现tau毒性调控新机制：网络分析预测并实验证实RNA结合蛋白HNRNPA2B1和甲基转移酶MEPCE增强tau蛋白的神经毒性。在人类诱导多能干细胞(iPSC)分化的神经祖细胞中，CRISPR干扰(CRISPRi)敲低HNRNPA2B1导致突触活动和电子传递链相关基因下调，这可能解释了其促进tau毒性的机制。值得注意的是，AD患者中MEPCE表达受rs7798226 eQTL调控，为遗传风险变异提供了功能解释。

DNA损伤通路被鉴定为神经退行性变的关键介质：网络分析发现蛋白激酶CSNK2A1和NOTCH1与DNA损伤修复调节因子相互作用。在果蝇中神经元特异性敲低其同源基因导致DNA损伤标志物γH2AX(果蝇中为pH2Av)焦点增加。人类神经祖细胞中，CK2抑制剂CX-4945和γ-分泌酶抑制剂Compound E处理同样增加彗星实验中的DNA损伤。转录组分析揭示CSNK2A1敲除激活细胞周期基因，而NOTCH1敲除抑制DNA修复通路，提示二者通过不同机制导致神经元DNA损伤积累。

该研究通过创新的系统生物学方法，整合了从果蝇遗传筛选到人类神经元组学的多层次证据，揭示了AD神经退行性变的保守机制。发现的HNRNPA2B1-MEPCE调控轴和CSNK2A1-NOTCH1-DNA损伤通路不仅深化了对AD病理的认识，更为开发靶向治疗策略提供了新方向。特别是DNA损伤通路的发现，将AD与衰老过程中的基因组不稳定性联系起来，为开发神经保护药物开辟了道路。

研究的技术方法包括：果蝇全基因组RNAi筛选；激光捕获显微切割获取人类颞叶皮层锥体神经元；TMT标记的定量质谱分析蛋白质组和磷酸化蛋白质组；非靶向代谢组学；iPSC分化的NGN2神经祖细胞CRISPRi系统；彗星实验检测DNA损伤；以及多组学网络整合分析。

研究结论部分强调，这项工作建立了从果蝇遗传筛选到人类疾病机制的转化研究范式，证明跨物种整合系统生物学方法在解析复杂疾病机制中的强大效力。发现的分子通路不仅适用于AD，也可能推广到其他年龄相关神经退行性疾病。特别是DNA损伤与细胞周期重激活的关联，为理解神经元在衰老过程中的脆弱性提供了新视角。这些发现为开发延缓或阻止神经退行性变的干预策略奠定了重要基础。