Nature Medicine | 突破性发现：新型脑脊液突触蛋白生物标志物，精准预测阿尔茨海默病认...

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-04-01 16:35

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面对重重挑战，一个由多学科专家组成的科研团队，毅然踏上了一条充满荆棘的探索之路。他们决定采用 “大数据 + 人工智能” 的策略，对海量的生物样本和临床数据进行深度挖掘，力求找到突破性的生物标志物。为此，他们开展了一项迄今为止最大规模的阿尔茨海默病脑脊液蛋白质组学研究。

大规模蛋白质组学研究：大海捞针的探索之旅

这项研究，堪称阿尔茨海默病生物标志物发现领域的 “阿波罗计划”。研究团队汇集了来自全球六个大型前瞻性阿尔茨海默病病例对照队列的 3397 名参与者的脑脊液 (CSF) 样本，这些队列涵盖了散发性阿尔茨海默病和常染色体显性阿尔茨海默病 (ADAD) 两种类型，具有极高的代表性和临床价值。研究团队采用了先进的高通量蛋白质组学技术 (SomaScan, 质谱)，对每个 CSF 样本中的数千种蛋白质进行了精确测量，力求全面、系统地描绘阿尔茨海默病 CSF 蛋白质谱图的全貌。参与的队列研究包括：斯坦福队列 (Stanford cohort，包含斯坦福阿尔茨海默病研究中心 (ADRC)、斯坦福衰老与记忆研究 (SAMS) 和 Poston 队列)；Knight-ADRC 队列；阿尔茨海默病神经影像学倡议 (ADNI) 队列；显性遗传阿尔茨海默病网络 (DIAN) 队列；BioFINDER2 队列；以及 Kuopio 大学医院队列。

为了确保研究结果的可靠性和可重复性，研究团队在实验设计和数据分析的各个环节，都力求做到精益求精。在样本处理方面，他们严格遵循标准操作流程 (standard operating procedures, SOPs)，最大程度地减少样本处理过程中的变异性。在数据分析方面，他们采用了严谨的统计学方法和生物信息学工具，力求从海量数据中，挖掘出真正有价值的生物标志物。为了寻找与认知障碍 (CI) 独立相关的 CSF 蛋白，且不受传统 AD 病理学生物标志物的影响，研究团队设计了精妙的统计模型。他们以全球临床痴呆评定量表 (CDR) 作为认知障碍的量化指标，以 CSF 蛋白水平为自变量，构建线性回归模型，并巧妙地将 CSF pTau181:Aβ42 比值、年龄、性别、APOE4 基因型、队列和蛋白质组分量 1 (PC1) 等因素纳入模型，作为协变量进行调整。通过这种方法，他们成功地排除了已知混杂因素的干扰，从而更加精准地识别与认知障碍 (CI) 相关的 CSF 蛋白。

机器学习显神威：YWHAG:NPTX2 比值横空出世

数据分析的结果，如同一颗重磅炸弹，震撼了整个阿尔茨海默病研究领域：突触蛋白 (synapse proteins) 成为与认知障碍 (CI) 相关性最强的蛋白类群，并且这种相关性，完全独立于传统的 Aβ 和 tau 蛋白生物标志物。这个发现，无疑为阿尔茨海默病的研究，打开了一扇全新的大门，指明了一个极具潜力的方向——突触功能障碍，可能才是驱动阿尔茨海默病认知衰退的核心机制。为了进一步聚焦于突触功能障碍，研究团队深入分析了差异表达的突触蛋白。他们发现，在认知障碍患者的脑脊液中，675 种突触蛋白表达上调，721 种突触蛋白表达下调。其中，表达上调最显著的突触蛋白包括 YWHAG、YWHAZ、YWHAH、NEFL、NEFH、DLG2、HOMER1、MAP1LC3A、PPP3CA 和 PPP3R1，而表达下调最显著的突触蛋白则包括 NPTX2、NPTXR、SLITRK1、CBLN4、LRFN2 和 EPHA4。

为了将这些有价值的突触蛋白转化为临床可用的生物标志物，研究团队再次祭出了 “人工智能” 的利器——机器学习 (machine learning) 。他们利用 ADNI 队列的数据，以 214 种与认知障碍显著相关的突触蛋白为输入变量，训练了一个惩罚线性模型 (penalized linear model)，用于预测认知障碍的严重程度。为了简化模型，提高临床应用的可行性，研究团队又采用了递归特征消除 (recursive feature elimination, RFE) 算法，对模型进行精简。令人惊讶的是，RFE 算法最终筛选出两个关键的突触蛋白：YWHAG 和 NPTX2。模型分析显示，YWHAG 和 NPTX2 之间存在近乎 1:1 的差异，这意味着， YWHAG 和 NPTX2 的比值，可能是一个更简洁、更有效的认知障碍生物标志物。

为了验证这个猜想，研究人员构建了 CSF YWHAG:NPTX2 比值，并对其与认知障碍的相关性进行了深入评估。他们首先对蛋白质水平进行对数转换和 z-score 标准化，然后计算 YWHAG 和 NPTX2 的标准化比值。结果表明，CSF YWHAG:NPTX2 比值与认知障碍 (CI) 之间存在显著的正相关关系，且这种相关性在所有队列中都高度一致 (ADNI r = 0.54; Knight-ADRC r = 0.55; Stanford r = 0.62; DIAN r = 0.66; 总 n = 2,067)。更令人兴奋的是，CSF YWHAG:NPTX2 比值与认知障碍的相关性，甚至略高于传统的 pTau181:Aβ42 比值。为了进一步验证 CSF YWHAG:NPTX2 比值的诊断价值，研究团队构建了 logistic 回归模型，用于区分不同认知阶段的个体。结果发现，虽然 pTau181:Aβ42 比值在区分 MCI 和认知正常个体方面表现更佳，但 CSF YWHAG:NPTX2 比值在区分疾病晚期阶段的个体时，表现出更强的优势。当任务是区分痴呆患者和认知正常个体时， CSF YWHAG:NPTX2 比值的曲线下面积 (AUC) 高达 0.97 ，预测能力惊人。

为了评估 CSF YWHAG:NPTX2 比值在解释认知障碍变异性方面的能力，研究人员进行了线性回归分析。结果表明，在 A+T₁+ 个体中，CSF YWHAG:NPTX2 比值能够解释超出 pTau181:Aβ42 比值之外 27% 的认知障碍变异性，并且与 pTau181:Aβ42 比值和年龄等因素，相互独立地影响认知功能。

揭示生物学机制：YWHAG:NPTX2 比值的 “冰山一角”

CSF YWHAG:NPTX2 比值，作为一个新型的认知障碍生物标志物，其背后蕴藏着怎样的生物学机制？为了解答这个问题，研究团队深入挖掘了 YWHAG 和 NPTX2 这两个蛋白的生物学功能。YWHAG，又称 14-3-3γ，属于 14-3-3 蛋白家族。14-3-3 蛋白是一类高度保守的调节蛋白，参与细胞信号转导、细胞周期调控、凋亡等多种生物学过程。在神经系统中，14-3-3 蛋白广泛分布于神经元胞体和突触，参与突触可塑性、神经递质释放和神经元 excitability 的调控。研究表明，YWHAG 基因突变与儿童癫痫有关，提示 YWHAG 可能参与神经元活动的调控。此外，YWHAG 还能与 tau 蛋白相互作用，调控 tau 蛋白的聚集和磷酸化，这暗示 YWHAG 可能参与了阿尔茨海默病 tau 蛋白病理的形成。

NPTX2，又称神经元活动调节 pentraxin-2，是一种分泌型突触蛋白，属于神经 pentraxin 家族。NPTX2 在突触传递、突触可塑性和神经环路稳态中发挥重要作用。研究表明，NPTX2 能够调控兴奋性突触的稳态性增强 (homeostatic scaling)，防止神经环路过度兴奋。在阿尔茨海默病患者的脑组织和脑脊液中，NPTX2 的表达水平均显著降低，提示 NPTX2 可能参与了阿尔茨海默病突触功能障碍的发生。更有趣的是，动物实验表明，过表达 NPTX2 能够保护突触免受补体介导的小胶质细胞吞噬，提示 NPTX2 可能是一种突触 resilience 因子。