景杰学术 | 报道
Editor''s note
编者按
2020年是阿尔兹海默症成果频出的一年，精准医学与蛋白组学公众号截至目前已解读了本年度AD相关的蛋白质组学高分文献7篇。特此，我们推出《阿尔兹海默症专题系列》，本系列共2期，划分为蛋白质组学、蛋白质修饰组学模块，将针对一部分科研“风向标”进行梳理和罗列。
11月25日，基于蛋白质组学探究AD的第一期《阿尔兹海默症专题系列 | 还需多少努力，才能让你不要忘了我》文献合辑已推送，本期将继续为您解读AD领域的蛋白质修饰组学篇，以此为致力于AD研究的科研工作者提供思路，并致以崇高的敬意，期待国人早日攻克AD！
20世纪初，德国医生阿勒斯·阿尔兹海默（Alois Alzheimer, 1864-1915）首次利用显微镜观察到患者奥古斯特·德特尔（Auguste Deter）大脑中出现小粟粒灶和被碱性染料深染的神经原纤维，将其命名为阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD），其是一种不可逆性神经退行性疾病，致病因素复杂多样。
经过科学家们几十年来不懈的努力，许多AD标志性病理特征，诸如β-淀粉样蛋白沉积、Tau蛋白功能异常等终于被了解，但这些里程碑式的发现却仍然未能帮助我们找到AD的治疗方法。据统计，目前全球约有5,000万AD患者，其不仅严重威胁了患者的生存质量，也给患者的亲友带来了不可小觑的精神压力和经济压力。近些年，利用基于高灵敏度质谱技术的蛋白质组学及蛋白质修饰组学手段，精准了解AD患者大脑蛋白质网络的复杂变化以找到有效的预防、治疗药物便成为了许多科学家努力的方向。
01
大样本磷酸化修饰组学揭示阿尔茨海默病分子网络
期刊及影响因子：Neuron （IF=14.415）
题目：Deep Multilayer Brain Proteomics Identifies Molecular Networks in Alzheimer’s Disease Progression
发布时间：2020年5月18日
作者及单位：美国田纳西州圣裘德儿童研究医院彭隽敏教授团队
样本策略：90例高质量的人类病例额叶皮层样本
质谱策略：基于TMT标记的蛋白质组学和磷酸化修饰组学定量技术
研究思路及结果：
研究者首先收集了90个高质量的人类病例额叶皮层样本，分成LPC组、HPC组、MCI组、AD组、PSP组五组，运用TMT-LC/LC-MS/MS技术进行了分析，共鉴定到14,513个蛋白和34,173个磷酸化位点。结果整合成了三个全蛋白簇（WPC1-3），且58个AD改变蛋白中几乎所有降低蛋白都与RNA转录降低相关。通过对脑脊液样本进行了深度蛋白组学分析，发现4个新的候选生物标志物（SLC39A12, SLC5A3, SLIT2, STEAP3)。
通过磷酸化蛋白组学分析发现，AD组中磷酸化Tau蛋白最高。之后将873个DE磷酸肽（398个蛋白）分为四个磷酸肽簇（PPC1-PPC4)，它们在AD病程中有不同的变化趋势，揭示了AD疾病进展过程中蛋白磷酸化的高度动态变化，且其大多富集于剪接功能障碍和钙离子假说的两条新途径。基于IKAP机器学习算法，推断出186个激酶的活性，其中在AD中有28个发生了变化。之后在5xFAD模型小鼠中评估了此28个蛋白与Aβ相关蛋白的因果关系，发现大多数Aβ相关蛋白受转录后机制调控。
最后作者通过对7个数据集基因组数据和基因表达信息的整合，发现了与AD发病机制有关的16条通路，揭示了高度排列的Aβ相关蛋白（如MDK, NTN1, SMOC1和ICAM1）与淀粉样斑块病理相关（图4）。
综上，研究揭示了AD的关键分子网络和通路，发现了潜在的脑脊液生物标志物，并为解释小鼠模型和临床试验之间的转化差异提供了证据。
文献阅读大赛04 | Neuron：彭隽敏团队大样本磷酸化组学揭示阿尔茨海默病分子网络
02
阿尔兹海默症迄今最完整的糖基化修饰分子网络全景
期刊及影响因子：Science Advances（IF=13.116）
题目：Integrative glycoproteomics reveals protein N-glycosylation aberrations and glycoproteomic network alterations in Alzheimer’s disease
发布时间：2020年10月2日
作者及单位：美国埃默里大学医学院的研究学者
样本策略：8例AD患者及其对照的人脑背外侧前额叶皮层组织样本
质谱策略：定量N-糖基化修饰组学分析
研究思路及结果：
研究对8例AD患者和8例匹配的健康人脑背外侧前额叶皮层组织样本进行了定量N-糖基化修饰组学分析，共分离到4,730个N-糖基化肽。这是迄今为止第一个大规模N-糖基化修饰组学数据集。
应用加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究构建了13个共调控N-糖肽/糖蛋白集成模块（GM1-13），首次揭示了N-糖基化异常与多种反应途径失调有关，包括神经炎症、细胞黏附改变、星形胶质细胞功能障碍、突触功能失调、内吞运输失调和溶酶体功能障碍等。并进一步与APP/PS1小鼠（AD小鼠模型）大脑的糖基化修饰组数据进行了比较，表明淀粉样β蛋白以及其他上游因素，可触发N-糖基化修饰的改变。
由于ER定位的OST催化亚基的基因突变会导致糖基化紊乱和脑功能异常，所以研究者检查了AD患者和对照组的脑组织（额叶皮层或内嗅皮层）的四个不同转录组数据集中OST复合亚基的mRNA表达谱，表明OST复合物表达和活性改变、低聚果糖寡糖生物合成中酶表达的改变，与AD脑蛋白N-糖基化失调和糖网络改变有关。
最后，研究者筛选出了24个集成糖肽，能将AD患者与正常对照完全区分，可作为新型AD生物标志物的潜力。同时也揭示了20种独特的N-糖肽/糖位，为AD生物标志物的开发提供了潜在靶标。
综上，本篇研究针对AD患者大脑及对照样本进行了首次大规模、基于特定位点的定量N-糖基化修饰组学图谱研究，描绘了人脑N-糖蛋白和N-糖基化位点的系统全景图，并确定了AD中N-糖肽、N-糖蛋白和N-糖基化位点改变的疾病特征。
Sci Adv | 揭示迄今阿尔兹海默症最完整的糖基化修饰分子网络全景以及AD调控机制
03
肿瘤转移抑制因子CD82介导衰老相关的认知功能障碍
期刊及影响因子：GeroScience（IF=6.444）
题目：CD82-TRPM7-Numb signaling mediates age-related cognitive impairment
发布时间：2020年1月22日
作者及单位：华中科技大学同济医学院赵寅团队以及合作者
样本策略：AD患者及模型小鼠的大脑样本，HEK293细胞
质谱策略：高深度磷酸化修饰组学（景杰生物提供技术支持）
研究思路及结果：
衰老（Aging）是阿尔茨海默症（AD）的一个主要危险因素。四跨膜蛋白是突触功能和记忆的重要调节剂，其中CD82是广谱的肿瘤转移抑制因子，然而CD82在神经系统和AD中的作用和功能尚不清楚。
研究人员首先证实了CD82在AD患者及模型小鼠大脑中的蛋白表达显著升高，且过表达CD82会影响小鼠认知能力、诱导学习和记忆缺陷。另一方面，TRPM7是一种具有离子通道和激酶活性的双功能膜蛋白，先前的研究表明，敲除TRPM7会损害成年大鼠的学习和记忆，降低突触密度和可塑性。所以研究人员进行了HEK293细胞转染CD82质粒的实验，检测CD82是否是通过TRPM7参与记忆调节的，结果表明CD82过表达会诱导caspase-3激活，从而促进TRPM7 α-kinase活化。
研究人员接下来即对转染了TRPM7 α-kinase结构域质粒的HEK293细胞开展了高深度磷酸化修饰组学分析，共鉴定到10,060个磷酸化位点和3,347个蛋白，定量到6,422个磷酸化位点和2,621个蛋白。通过一系列生物信息学分析，发现TRPM7 α-kinase过表达会诱导Numb的T346和S348两个位点磷酸化，进而促进Aβ分泌。
那么，敲除Cd82是否能挽救海马相关的记忆功能？结果表明其平衡能力与运动能力没有明显影响，但展现出了优于对照组小鼠的记忆能力，这表明Cd82的缺失能够增强小鼠的长期记忆。
综上所述，本研究为CD82-TRPM7-Numb信号传递与衰老相关的突触/记忆功能障碍之间的关联提供了证据，揭示了CD82调控衰老相关的突触/记忆功能障碍，催发AD的发生发展，为CD82的临床治疗应用提供了更多数据。
抑癌但“健忘”，GeroScience | 华中科技大学赵寅团队报道肿瘤转移抑制因子CD82介导衰老相关的认知功能障碍
04
tau蛋白上的又一个新修饰——琥珀酰化修饰
期刊：bioRxiv
题目：Succinylation Links Metabolic Reductions to Amyloid and Tau Pathology
上传时间：2019年9月16日（目前尚处于同行审阅中）
作者及单位：康奈尔大学Gary E. Gibson教授团队
样本策略：AD和健康组的脑组织标本
质谱策略：label-free非标记定量、TMT标记定量蛋白质组学技术
研究思路及结果：
微管相关蛋白tau主要存在于轴突中，参与调控微管蛋白稳定性，在阿尔茨海默病 (AD) 等神经退行性疾病的发生发展中发挥关键作用。tau可以发生多种蛋白质翻译后修饰 (PTM)，包括磷酸化、糖基化、聚胺化、泛素化等。然而领域内对tau是否会发生新型蛋白酰基化修饰，及其对tau蛋白功能、AD的影响却知之甚少。
研究人员分别通过label-free非标记定量以及TMT同位素标记定量蛋白质组学技术，在AD和健康组脑组织标本中定性鉴定到4,678种蛋白质，以及314种发生了琥珀酰化修饰的蛋白质（其中约73%的蛋白质为线粒体蛋白质）。重要的是，研究人员发现琥珀酰化修饰同样发生于两个在AD疾病中发挥关键作用的蛋白质——tau和APP (图4a, b)。其中，tau K311和APP K687的琥珀酰化修饰只存在于AD患者的脑组织中，在健康组中并没有出现。
所以研究人员在AD模型小鼠TgP301S中进一步调查了tau和APP的琥珀酰化修饰水平与AD疾病进展的关系。在AD小鼠海马CA1区，随着小鼠年龄的增长，病理性tau、APP、淀粉样斑块的含量都发生了明显增加；而区别于持续增长的磷酸化修饰水平，tau的琥珀酰化修饰水平却随着小鼠年龄的增长而下降，提示在AD发展过程中，两种修饰在调节tau功能上存在潜在的相互联系。此外，研究人员同时观察到，APP的琥珀酰化修饰水平在AD发展中持续增加，暗示琥珀酰化修饰可能在APP裂解形成Aβ沉积过程中发挥重要作用。
综上所述，本项研究中作者首次利用琥珀酰化修饰组学，系统地研究了AD患者脑组织中蛋白质琥珀酰化修饰水平的变化，发现了AD关键蛋白tau和APP可以发生琥珀酰化修饰，并在AD小鼠模型中，动态观察了两种蛋白的琥珀酰化修饰水平与AD疾病进展的内在联系。
bioRxiv预印本 | tau蛋白上的又一个新修饰——琥珀酰化修饰
由于阿尔兹海默症主要是由神经元的大量不可逆性死亡引起的，并且神经元无法再生，因此控制它的关键在于早期发现及干预，而这迫切需要发现新的分子机制和诊断标志物。蛋白质翻译后修饰几乎影响了正常细胞生物学和发病机制的所有方面，越来越多的研究者通过蛋白质修饰手段，为描绘AD轮廓提供了非常有价值的线索和依据，同时引入了新的见解和思路。
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参考文献：
[1] Bai B, Wang X, Li Y, et al. Deep Multilayer Brain Proteomics Identifies Molecular Networks in Alzheimer''s Disease Progression. Neuron.
[2] Qi Zhang, 2020. Integrative glycoproteomics reveals protein N-glycosylation aberrations and glycoproteomic network alterations in Alzheimer’s disease. Sci Adv.
[3] Zhao, Y., et al., 2020, CD82-TRPM7-Numb signaling mediates age-related cognitive impairment. GeroScience.
[4] Yun Yang, et al. 2020. Succinylation Links Metabolic Reductions to Amyloid and Tau Pathology. bioRxiv.
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