·阿爾茨海默病基因研究先驅(qū)魯?shù)婪颉ぬ过R曾說到，罕見變異在人群中的發(fā)生頻率低于1%，卻占個(gè)體基因組變異的77%，僅使用全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）可能會(huì)錯(cuò)過疾病的大部分遺傳景觀。

時(shí)隔百年，與探究阿爾茨海默病理機(jī)制密切相關(guān)的兩位女性。

(資料圖片)

逃離阿爾茨海默病的命運(yùn)

1906年，55歲的奧古斯特·德特女士（Auguste Deter）去世，德國精神病學(xué)家阿爾茨海默（Alois Alzheimer）解剖了她已經(jīng)萎縮的大腦，發(fā)現(xiàn)其中滲透有微小的斑塊，還有奇怪的纏結(jié)標(biāo)記神經(jīng)元的死亡，足以將她的疾病與其他的癡呆癥區(qū)分開來。它們被后世命名為β淀粉樣蛋白（Aβ）和tau蛋白，成為阿爾茨海默病的獨(dú)特標(biāo)志物。

一百多年后，哥倫比亞安蒂奧基亞的艾麗婭（Aliria Rosa Piedrahita de Villegas）被研究人員稱作“我們時(shí)代的奧古斯特”。她所在的大家庭擁有一種罕見的遺傳性基因突變，幾乎可以確保她在40歲左右就會(huì)罹患早發(fā)性阿爾茨海默病。然而，直到72歲，她才出現(xiàn)輕微的癥狀。2020年11月，她因黑色素瘤去世，享年77歲，離開前幾個(gè)月仍記得家人和朋友、自己做飯和洗澡，并且可以毫不費(fèi)力地記住“神經(jīng)科學(xué)”和“冠狀病毒”之類的名詞。

艾麗婭究竟如何逃過了被阿爾茨海默病“詛咒”的命運(yùn)，長久吸引著科學(xué)家的目光。此前他們已經(jīng)通過腦核成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，她的大腦里含有大量Aβ，卻沒有多少tau蛋白，在普通患者中，兩者往往先后出現(xiàn)和累加。艾麗婭的獨(dú)特之處在于，她除了具有家族遺傳的致病基因突變PSEN1 E280A之外，她還有一個(gè)極其罕見的基因突變——APOE3 Christchurch，且是來自父母雙方的純合子（其他人只有來自父母一方的一個(gè)基因突變拷貝）。

在APOE的3個(gè)等位基因中，APOE4被公認(rèn)為阿爾茨海默病的最強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)基因，APOE2則是保護(hù)基因，而APOE3則沒有特別的影響。但艾麗婭的病例顯示，基因之間存在相互作用，一種罕見突變可能對抗另一種。

艾麗婭的腦部影像顯示，β淀粉樣蛋白與tau蛋白似乎“斷絕關(guān)系”。

艾麗婭給世界留下了一個(gè)珍貴的禮物：她的大腦。借助單細(xì)胞 RNA 測序，研究人員得以揭示特定基因在腦細(xì)胞中的表達(dá)方式。最近的研究發(fā)現(xiàn)，她的tau蛋白病理發(fā)展，在很大程度上“放過”了對判斷和其他執(zhí)行功能很重要的額葉皮質(zhì)，以及對記憶和學(xué)習(xí)很重要的海馬體，轉(zhuǎn)而涉及了枕葉皮層，即控制視覺感知的頭部后部大腦區(qū)域。枕葉皮質(zhì)是唯一表現(xiàn)出典型阿爾茨海默癥特征的主要大腦區(qū)域，例如稱為小膠質(zhì)細(xì)胞的保護(hù)性腦細(xì)胞的慢性炎癥，和降低的APOE表達(dá)水平。【1】

還有一種罕見的APOE3變體APOE3-Jacksonville，也可以降低一個(gè)人患阿爾茨海默病的風(fēng)險(xiǎn)。自2014年被報(bào)道以來，直到去年科學(xué)家才揭示它背后的潛在機(jī)制是減少APOE的自聚集，這與促進(jìn)膽固醇排出和增強(qiáng)的脂質(zhì)結(jié)合能力有關(guān)，可以降低淀粉樣蛋白負(fù)荷和相關(guān)毒性，促進(jìn)大腦的修復(fù)和健康老化。【2】

“對阿爾茨海默病和認(rèn)知衰退有抵抗力的患者，正在引領(lǐng)我們對阿爾茨海默病病理生理學(xué)理解的一場革命，并為新的、受患者啟發(fā)的療法鋪平道路。”麻省總醫(yī)院多文化阿爾茨海默癥預(yù)防項(xiàng)目（MAPP）主任、哈佛醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)副教授亞基爾·基羅斯（Yakeel T. Quiroz）參與領(lǐng)導(dǎo)了APOE3 Christchurch的研究。她認(rèn)為，APOE3-Jacksonville與硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的相互作用受損，可能是與認(rèn)知癥風(fēng)險(xiǎn)降低相關(guān)的 APOE 變體（包括 APOE3-Christchurch 和 APOE2）的共同特征，需要進(jìn)一步研究。

進(jìn)入基因組“暗物質(zhì)”研究

早期發(fā)現(xiàn)的阿爾茨海默病基因，如導(dǎo)致早發(fā)性阿爾茨海默病的APP、PSEN1、PSEN2，和晚發(fā)性阿爾茨海默病的主要風(fēng)險(xiǎn)基因AOPE，都與加速淀粉樣蛋白沉積有關(guān)。2008年，阿爾茨海默病基因研究先驅(qū)魯?shù)婪颉ぬ过R（Rudolph Tanzi）的實(shí)驗(yàn)室，首次發(fā)現(xiàn)與神經(jīng)炎癥相關(guān)的阿爾茨海默基因CD33，它攜帶著小膠質(zhì)細(xì)胞上受體的遺傳密碼。

小膠質(zhì)細(xì)胞通常充當(dāng)大腦的管家之一，清除神經(jīng)碎片，包括斑塊和纏結(jié)。5年后，坦齊和他的同事們研究發(fā)現(xiàn)，CD33影響小膠質(zhì)細(xì)胞的活動(dòng)：當(dāng)該基因高度表達(dá)時(shí)，小膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)從管家轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)元?dú)⑹郑瑥亩l(fā)神經(jīng)炎癥。此后，與CD33具有相反作用的另一個(gè)阿爾茨海默基因TREM2也被發(fā)現(xiàn)，它可以關(guān)閉小膠質(zhì)細(xì)胞促進(jìn)神經(jīng)炎癥的能力。

這或許能夠與部分特殊病例相印證：他們在尸檢中被發(fā)現(xiàn)腦部有大量淀粉樣斑塊和神經(jīng)元纖維纏結(jié)，卻始終沒有出現(xiàn)阿爾茨海默病癥狀，原因就在于他們沒有神經(jīng)炎癥。用坦齊的比喻來說，感染點(diǎn)燃了淀粉樣蛋白病變的火柴，隨著蛋白積累，殺死神經(jīng)元，引發(fā)神經(jīng)炎癥，隨后才蔓延為腦內(nèi)的“叢林大火”。

魯?shù)婪颉ぬ过R在線上演講中，介紹神經(jīng)炎癥在阿爾茨海默發(fā)病機(jī)制中的重要性。

今年4月，一項(xiàng)迄今為止最大規(guī)模、涉及10萬患者和60萬健康人的全基因組關(guān)聯(lián)研究結(jié)果出爐。在識(shí)別出的75個(gè)與阿爾茨海默有關(guān)的基因組區(qū)域中，新發(fā)現(xiàn)了42種阿爾茨海默基因，同樣將阿爾茨海默病與大腦免疫系統(tǒng)受損聯(lián)系了起來。【3】

“創(chuàng)建一個(gè)廣泛的阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)基因列表，就像一個(gè)大型拼圖過程，這項(xiàng)工作雖然沒有為我們提供完整的畫面，但給出了寶貴的框架。當(dāng)然，它也告訴我們阿爾茨海默癥有多么復(fù)雜，多種不同機(jī)制影響著疾病發(fā)展。”英國阿爾茨海默癥研究中心的研究主任蘇珊·科爾哈斯（Susan Kohlhaas）說道。

不過，僅僅有全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）或許仍然不夠。阿爾茨海默病的遺傳力（即遺傳變異占表現(xiàn)型總變異的百分?jǐn)?shù)）估計(jì)在60%-80%之間。“APOE，APP，PSEN1和PSEN2，加上前40個(gè)GWAS基因，僅占阿爾茨海默病遺傳風(fēng)險(xiǎn)的一半，剩下的另一半未知，這是我們進(jìn)入基因組‘暗物質(zhì)’的地方——罕見變異。”坦齊曾說到，罕見變異在人群中的發(fā)生頻率低于1%，卻占個(gè)體基因組變異的77%。【4】

去年4月，坦齊和同事們利用全基因組測序（WGS），發(fā)表了新發(fā)現(xiàn)的13 個(gè)與阿爾茨海默病有關(guān)的罕見變異基因。它們可以提供阿爾茨海默病與神經(jīng)發(fā)育、突觸功能（傳遞化學(xué)和電通訊信號(hào)的腦細(xì)胞之間的連接）和神經(jīng)可塑性（神經(jīng)元重組神經(jīng)元的能力）之間的一些最初的遺傳聯(lián)系。【5】“我們相信我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)新模板，用于超越標(biāo)準(zhǔn) WGS以及疾病與常見基因組變異的關(guān)聯(lián)，其中你錯(cuò)過了疾病的大部分遺傳景觀。”

麻煩的是，罕見突變可能只發(fā)生在一個(gè)人或一個(gè)家庭中。 “在阿爾茨海默病測序項(xiàng)目中進(jìn)行全基因組測序的2萬人中，54% 的單核苷酸多態(tài)性僅在一個(gè)人身上看到，”斯坦福大學(xué)博士揚(yáng)·勒·根（Yann Le Guen）說。如此小的樣本量要如何確定與阿爾茨海默病的關(guān)聯(lián)？功能多組學(xué)分析是關(guān)鍵策略。

罕見基因變異堪稱基因組中的“暗物質(zhì)”。

罕見基因變異能告訴我們什么

尋找阿爾茨海默罕見功能基因變異的研究通常分為三類：一是在已知關(guān)聯(lián)基因中尋找罕見功能變異，例如錯(cuò)義突變、插入/缺失、剪接變體、移碼和早期終止密碼子等；二是系統(tǒng)運(yùn)用全基因組測序 (WGS) 和基于全外顯子組測序 (WES) 數(shù)據(jù)，來識(shí)別罕見的功能變異；三是在新的假設(shè)驅(qū)動(dòng)阿爾茨海默病的候選基因中，尋找罕見功能基因變異。一些罕見的基因變異簇還可以識(shí)別疾病相關(guān)的新基因，或表明已知疾病相關(guān)蛋白的哪個(gè)域可能出現(xiàn)故障。

今年4月，俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，從大約5500個(gè)阿爾茨海默病例和 5000個(gè)阿爾茨海默測序項(xiàng)目（ADSP）對照的WES數(shù)據(jù)著手，在近21000個(gè)基因中識(shí)別出超過160萬個(gè)罕見變異。再將這些變異映射到蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的6000多種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及人工智能 AlphaFold 推定的近 17500 個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上，發(fā)現(xiàn)只有少數(shù)相應(yīng)基因具有統(tǒng)計(jì)顯著性的罕見基因變異簇。

隨后再在一個(gè)ADSP WES獨(dú)立隊(duì)列中搜索這些基因變異熱點(diǎn)，最后鎖定了三個(gè)基因：除了已知的TREM2和 SORL1，還有一個(gè)全新的基因EXOC3L4。它表達(dá)一種過去知之甚少的蛋白質(zhì)，預(yù)計(jì)是外囊復(fù)合物的一個(gè)組成部分，參與囊泡運(yùn)輸和胞吐作用。

在這項(xiàng)研究的分析中，這三個(gè)基因的突變數(shù)分別達(dá)到33、56和68個(gè)。在阿爾茨海默病例中，有15個(gè)EXOC3L4變體落入 C 端 Sec6 域。【6】此前研究顯示，該領(lǐng)域內(nèi)的罕見變異與阿爾茨海默病的皮質(zhì)葡萄糖代謝有關(guān)。

“這項(xiàng)研究提出的評估罕見錯(cuò)義變異同時(shí)考慮其在蛋白質(zhì)中的空間分布的統(tǒng)計(jì)方法，在阿爾茨海默病研究領(lǐng)域是新穎的，特別有助于聚合在空間上聚集在一起的單例。”揚(yáng)·勒·根評價(jià)，這為未來的藥物開發(fā)提供了信息，即應(yīng)該針對蛋白質(zhì)的哪個(gè)結(jié)構(gòu)域會(huì)對疾病產(chǎn)生影響。

“目前大約有100種阿爾茨海默相關(guān)的基因變異已經(jīng)被確認(rèn)，其中大約一半是保護(hù)性的，一半是危險(xiǎn)因素，其中大多數(shù)還沒有被確認(rèn)的功能。”坦齊認(rèn)為，接下來的問題是如何評估個(gè)體的風(fēng)險(xiǎn)，許多團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)多基因風(fēng)險(xiǎn)評分，“一個(gè)好的多基因風(fēng)險(xiǎn)評分，不依賴于單個(gè)基因和基因功能，而是基于基因組單個(gè)片段的遺傳模式。”

“識(shí)別已確立和新的候選阿爾茨海默基因中的罕見功能變異，有望加速阿爾茨海默病遺傳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義的生物學(xué)數(shù)據(jù)，并更好地理解阿爾茨海默病，以及如何治療這種毀滅性的疾病。”坦齊說。