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蛋白质组学揭示认知轨迹的相关蛋白
文章来源:genecreate 作者:genecreate 发布时间:2019-12-31 11:32
期刊:Nature Communications
IF:12.353
技术:Label-free
研究背景
       随着年龄增长,特别是到了高龄阶段,人的认知能力会发生不同程度的变化;一些人保持稳定的认知轨迹,而另一些人的认知能力可能会出现严重下降。通常来说,认知能力下降是神经退行性疾病的早期表现,最终可能会导致轻度认知障碍(MCI)或痴呆。目前认知轨迹的变化仅部分地由传统的神经变性病理学解释,如β-淀粉样斑块、神经原纤维缠结、微小梗塞、大脑梗塞和路易体痴呆等病理,但是尚不清楚认知轨迹变异的具体作用机制,也缺少从蛋白质组学的角度对认知轨迹的相关研究。
研究思路和结果概述
图1   研究思路和结果概述
研究结果
1. 个性化认知轨迹
       为了探究认知轨迹的潜在生物过程,作者通过Label-free定量蛋白质组学技术,采取纵向评估对最初认知未受损的老年人脑供体进行无偏见、大规模的认知轨迹关联蛋白研究(图1)。本文作者首先分别对Banner队列和BLSA队列的个体认知轨迹进行评估(图2),主要分为临床诊断和Braak阶段,其中斜率为零或接近零的轨迹反映了认知稳定性、斜率为负的轨迹则表明认知衰退更快;进而通过对Braak阶段的描述和演示,分析出神经原纤维缠结或许比β-淀粉样蛋白斑块更能引起认知衰退。综合对个体认知轨迹的评估,发现:(i)认知轨迹在给定的临床诊断或Braak阶段内发生变化;(ii)在AD病例或Braak分期较大的患者大脑中,不仅仅是较快的认知衰退;(iii)认知轨迹为临床诊断和神经病理学发现提供了补充信息。
个体化认知轨迹的评估
图2  个体化认知轨迹的评估
2. 蛋白质组学与认知轨迹的关联研究
      作者通过Label-free定量蛋白组学技术,在Banner队列和BLSA队列中分别鉴定出3710和3933种蛋白质,且有2752种蛋白质同时存在两者之中。再通过校对性别、入学年龄、受教育年龄、死亡年龄等个体信息后,在Banner队列中发现有354种蛋白质与认知轨迹相关联(FDR <0.05,图3A),其中前五种蛋白质依次是VGF、SEPT5、DBI、 MAPT和KIAA1045;也在BLSA队列中发现有127种蛋白质与认知轨迹相关联(FDR <0.05,图3B),其中前五种蛋白质依次是DLD、ABHD10、VDAC1、NDUFV1和PDHB。
鉴于两队列中表达量最高的蛋白质具有差异性,也有可能是由队列群体、随访持续时间、认知轨迹范围等因素造成的,所以作者采取Meta分析来增强真正的阳性结果(图4),结果显示在两队列中有579个蛋白与认知轨迹变化趋势一致,其中350种蛋白的丰度增加、229种蛋白的丰度降低。与此同时,采用PPI分析来初步了解这些蛋白质在不同生物过程或细胞器中 可能发生的相互作用(图5),结果发现其中484种蛋白均具有一种以上PPI且总共有2587种PPI,其中与认知轨迹相关的突触前蛋白与突触后蛋白之间也存在着许多PPI。
认知轨迹关联蛋白
图3   认知轨迹关联蛋白
认知轨迹中的差异蛋白表达
图4   认知轨迹中的差异蛋白表达
蛋白的互作分析
图5   认知轨迹相关蛋白的互作分析
3. 认知轨迹蛋白的富集分析
       为了探究与认知轨迹相关的579种蛋白质相关的生物学过程,作者分别对认知稳定性较低丰度的229种蛋白质和认知稳定性较高丰度的350种蛋白质进行了GO富集分析,发现了低丰度蛋白主要参与在炎症反应、细胞凋亡、内皮功能和RNA处理等方面,主要是少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞;高丰度蛋白主要参与在线粒体功能和突触传递等方面,主要是神经元和星形胶质细胞(表1)。
       为了确定与认知轨迹相关的蛋白质是通过传统AD病理还是独立于传统AD病理学,作者分别在两对列中进行了另一种蛋白质组范围的关联性研究,即对β-淀粉样蛋白斑块和神经原纤维缠结进行蛋白质组学分析并关联认知轨迹,结果发现Banner队列中的57个蛋白和BLSA队列中的12个蛋白均与认知轨迹相关;再结合Meta分析和GO富集分析,发现在232种与认知稳定性相关的蛋白质中,低丰度的蛋白质主要参与在糖酵解、神经丝束的组装、细胞-细胞粘附和RNA结合等方面,主要是少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞;高丰度的蛋白质主要参与在线粒体活性和突触传递过程等方面,主要是神经元。
       上述结果表明,认知稳定性相关的高丰度蛋白质参与线粒体活动和神经元中的突触传递,而不依赖于β-淀粉样斑块和神经原纤维缠结的影响;认知稳定性相关的低丰度蛋白质参与神经胶质细胞的炎症反应、细胞凋亡和内皮功能,可能通过β-淀粉样斑块和神经原纤维缠结起作用。与此同时,与认知稳定性相关的高丰度蛋白质相比,低丰度蛋白质对传统神经病理学的调整具有更大程度的影响,并且改变了相关的生物学过程。
表1  认知轨迹相关蛋白的富集分析
4. 构建蛋白的共表达网络
       作者使用WGCNA在Banner队列中鉴定了20个强且共表达蛋白的模块,再采用GO富集分析归类了这些模块中富集的生物过程(图6),其中最大的5个模块富含了突触功能、分解代谢和凋亡过程、线粒体功能、髓鞘形成和转录活性。值得注意的是,在BLSA队列中鉴定了16个共表达蛋白模块,通过使用Fisher精确检验对两队列进行成对重叠分析,结果发现9对有显著性重叠。
       接下来,作者将与认知轨迹相关的579种蛋白质分别在在Banner和BLSA队列中共表达蛋白质网络中进行富集测试,且在Fisher精确检验后得出,稳定性中较高丰度的蛋白质在参与突触功能(Banner M1、BLSA M1和M4)和线粒体功能(Banner M3和BLSA M3)的模块中富集(图7A);认知稳定性中较低丰度的蛋白质在参与细胞凋亡(Banner M2和BLSA M13),髓鞘形成(Banner M4和BLSA M2)和炎症反应(BLSA M6和间接Banner M2)的模块中富集(图7B)。另一方面,在独立于β-淀粉样蛋白斑块和神经原纤维缠结的认知轨迹相关的232种蛋白质中,认知稳定性中较高丰度的蛋白质富集在突触功能(Banner M1、BLSA M1和BLSA M4)和线粒体的模块(图7C);认知稳定性中较低丰度的蛋白质富集在涉及细胞凋亡(Banner M2和BLSA M13),髓鞘形成(Banner M4和BLSA M2)和炎症反应(BLSA M6和Banner M2)的模块(7D)。
蛋白的共表达网络
图6  蛋白的共表达网络
蛋白的模块富集
图7  认知轨迹相关蛋白的模块富集
5. 认知轨迹相关蛋白和中枢蛋白
       在蛋白质共表达网络中,中枢蛋白质可能是重要的蛋白质,因为它们与模块中的其他蛋白质高度相关。因此,作者希望确定与认知轨迹相关的蛋白质是否也是Banner和BLSA共表达网络中的中枢蛋白质,并重点研究了579个认知轨迹相关蛋白富集的7个Banner模块和7个BLSA模块,发现在上述两模块中分别有102个(占比83%)和99个(占比76%)中枢蛋白与认知轨迹相关(图7)。另一方面,将独立于病理的相关蛋白进行类似分析,发现在两模块的中枢蛋白中分别有67个和62个蛋白与β-淀粉样蛋白斑和神经原纤维缠结的认知轨迹关联,且两者交集的38种蛋白质将作为后续研究的重点之一。
研究结论
       本文利用Label-free定量蛋白组学的方法对认知稳定性进行了大规模的蛋白质组学分析,发现了579种与认知轨迹相关的蛋白质,以及在认知稳定性中神经元线粒体活性增加的证据。同时也确定了独立于神经病理学又属于中枢蛋白的38种蛋白质,为理解在认知轨迹中个体差异影响的分子机制奠定了基础。
解析文献
Wingo AP, Dammer EB, Breen MS, et al. Large-scale proteomic analysis of human brain identifies proteins associated with cognitive trajectory in advanced age. Nat. Commun. 2019 Apr 8; 10(1): 1619.