英文标题：Integrative multiomics reveals common endotypes across PSEN1, PSEN2, and APP mutations in familial Alzheimer's disease

发表期刊：Alzheimer's Research & Therapy

发表时间：2025.01.04（IF：7.9）

通讯作者及单位： Shankar Subramaniam, University of California

阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）是一种常见的神经退行性疾病，其中家族性阿尔茨海默病（Familial Alzheimer's Disease, FAD）由 PSEN1、PSEN2 和 APP 基因的突变引起，表现为早发性发病和认知功能的进行性衰退。尽管这些基因突变导致的病理机制已被广泛研究，但目前对于这些突变如何在分子水平上影响神经细胞功能的理解仍然有限，尤其是在疾病早期阶段。本研究旨在通过转录组和染色质可及性分析，揭示 PSEN1、PSEN2 和 APP 突变在 FAD 中的共同病理机制，并探索这些突变如何通过调控基因表达和染色质结构影响神经细胞的分化和功能。

细胞模型构建：从携带 PSEN1A79V、PSEN2N141I 和 APPV717I 突变的 FAD 患者皮肤成纤维细胞中诱导生成诱导多能干细胞（iPSC），并将其分化为神经元。

转录组学分析（RNA-seq）：对 iPSC 分化的神经元进行 RNA 测序，分析基因表达差异。

染色质可及性分析（ATAC-seq）：通过 ATAC-seq 技术分析神经元的染色质开放性变化。

多组学整合分析：结合 RNA-seq 和 ATAC-seq 数据，识别突变相关的基因表达和染色质调控变化，并进一步分析转录因子活性和基因调控网络。

研究者从携带 PSEN1A79V、PSEN2N141I 和 APPV717I 突变的患者 hiPSC 中分化出神经元。RNA-seq 分析发现，与对照组 NDC 相比，三种突变的神经元中存在大量差异基因（DEGs），且这些 DEGs 在三种突变中表现出显著的重叠，表明这些突变在基因表达水平上存在显著的共同特征。基因集富集分析显示，与细胞周期激活和去分化至非外胚层谱系相关的基因集表现为正向富集。而与神经元成熟、突触信号传导、线粒体功能及代谢相关的基因集表现负向富集；值得注意的是，PSEN2N141I部分神经元功能相关通路（如突触信号）表现正向富集，与其他突变趋势相反，提示其病理机制可能涉及神经元过度激活或加速成熟后的功能异常。

为了描述这些基因的转录调控程序，该团队又预测了TF 的活性，结果显示多种转录因子在三种 FAD 突变中表现出显著的活性变化。

图1 FAD hiPSC 衍生神经元的转录组分析

该研究识别了多个基因共表达模块，这些模块在三种突变中表现出显著的活性变化。九个共表达模块中，模块 1、3 和 4 在所有三种突变中均显著富集且正向调控，而模块 5 负向富集。超几何富集分析显示，与细胞周期、非外胚层谱系和早期神经发生相关的基因比例极高，暗示与这些功能相关。

图2 FAD hiPSC 衍生神经元中的共表达模块检测

为了确定内型转录变化是否由染色质拓扑结构的调节驱动，作者进行了 ATAC-seq 分析。分析发现，三种 FAD 突变的神经元中存在大量差异可及性区域（DARs），这些区域主要集中在启动子和增强子区域。进一步分析发现，启动子和增强子区域的变化与基因表达变化密切相关，例如，启动子区域的 DARs 与基因表达的上调或下调一致。此外，HINT-ATAC 分析显示，多种转录因子结合位点的活性变化与基因表达变化一致。例如，与神经元分化、线粒体能量、神经元功能和突触可塑性相关的转录因子结合位点可及性降低，而与早期神经元谱系相关的转录因子结合位点可及性增加。

图3 差异染色质可及性区域富集了反映基因表达特征的转录调控因子和通路

Chipenrich分析显示，启动子和增强子区域的 DARs 与细胞周期、神经元谱系和突触功能等相关的基因集显著富集。转录因子靶基因富集分析显示，DARs 与多个转录因子靶基因显著富集，包括与早期神经元谱系、神经元表达和线粒体功能相关的基因。该团队为了进一步验证FAD 突变是否会在已知的 AD 风险变异附近造成不同的可及性，接着，将多个 GWAS 数据库中已发表的 AD 遗传变异与三种 FAD 突变中发现的所有 DARs 进行了交叉分析，发现了 67 个变异位于至少一个 FAD 突变的 DAR 内，14 个变异在所有三个突变中共同存在。

图4 染色质可及性的转录因子基序富集揭示了与内型相关的调节因子的不同活性

整合 RNA-seq 和 ATAC-seq 数据分析，染色质可及性变化与基因表达变化高度相关。例如，与非外胚层去分化、早期神经元谱系相关等基因在至少一种突变中与染色质可及性变化存在强相关性。此外，作者还鉴定到了许多基因在启动子或增强子区域的染色质可及性变化与其基因表达变化一致。

图5 染色质可及性变化驱动 FAD 突变体 hiPSC 衍生神经元中的差异基因表达和去分化

ATAC-seq 覆盖图和 RNA-seq 表达分析显示，启动子和增强子区域的染色质可及性差异与关键内型标记基因（CXCL12、DLX2）和具有预测差异活性的转录调节因子（ZIC2、NEUROG2）的转录变化有关，这突出表明了染色质可及性、基因表达和随后的调节因子活性变化之间的相关性。

许多治疗阿尔茨海默病的药物都以 Aβ 肽水平和淀粉样斑块为靶点，该团队则整合了来自 RNA-seq 和 ATAC-seq 综合分析的 FAD 相关富集通路和基因，以寻找可以作为 FAD 治疗药物的潜在药物靶点。

图6 由染色质可及性变化或关键调节因子活性驱动的内型失调导致 FAD 神经元前体谱系状态

本研究通过多组学整合分析，揭示了 PSEN1、PSEN2 和 APP 突变在 FAD 中的共同病理内型及其调控机制。这些内型表现为神经元去分化、突触功能障碍和线粒体功能抑制，且与转录因子活性变化密切相关。研究还通过整合分析预测了针对这些内型的潜在药物靶点，为开发针对 FAD 的新型治疗方法提供了理论基础。

参考文献：

Valdes P, Caldwell AB, Liu Q, et al. Integrative multiomics reveals common endotypes across PSEN1, PSEN2, and APP mutations in familial Alzheimer's disease. Alzheimers Res Ther. 2025;17(1):5. Published 2025 Jan 4. doi:10.1186/s13195-024-01659-6