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Sci Adv | 最全阿爾茨海默病糖基化修飾譜揭示疾病新視角
阿爾茨海默病（Alzheimer''s disease，AD）是一種嚴(yán)重危害患者身心健康的慢性神經(jīng)退行性疾病，其病理特征是大腦中β-淀粉樣蛋白（Aβ）斑塊和tau蛋白神經(jīng)纖維纏結(jié)。許多研究表明，一些重要的AD相關(guān)蛋白如APP，Tau等會發(fā)生異常糖基化，盡管蛋白質(zhì)糖基化對大腦健康很重要，但目前對人類大腦中糖蛋白質(zhì)或糖基存在形式及其在AD中的改變相關(guān)知識仍然受限。
近日，埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)退行性疾病中心Qi Zhang研究團(tuán)隊在Science Advances（IF 13.6）上發(fā)表題為“Human brain glycoform coregulation network and glycan modification alterations in Alzheimer’s disease”研究論文。該研究建立了基于完整糖肽的定量糖基化蛋白質(zhì)組學(xué)與網(wǎng)絡(luò)生物學(xué)的整合，大規(guī)模、深入地分析人大腦中的糖型和位點特異性的N糖肽在AD中的變化。
【文章標(biāo)題】Human brain glycoform coregulation network and glycan modification alterations in Alzheimer’s disease
【發(fā)表期刊】Science Advances
【影響因子】13.6
【發(fā)表時間】2024年4月5日
技術(shù)路線
樣本類型：人腦組織，AD組和對照組（n=16）
組學(xué)手段：糖基化修飾蛋白組學(xué)
結(jié)果速遞
一、AD組和對照組大腦的糖蛋白質(zhì)組學(xué)景觀
研究人員利用基于質(zhì)譜的完整糖蛋白質(zhì)組學(xué)平臺，共鑒定出12176個N-糖肽匹配1184個N-糖蛋白，10731個N-糖型以及2544個N-糖基化位點上有164種不同的N-聚糖組成（圖1A-D）。代表了迄今為止最大的人類AD大腦糖蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)集，同時具有位點特異性的N聚糖和糖型信息。此外，與常規(guī)蛋白組學(xué)以及基于脫糖基化的糖蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果相比，完整糖蛋白組學(xué)方法實現(xiàn)了更廣泛的糖蛋白、N-糖肽、糖基化位點以及糖型的覆蓋（1E-G）。對N-聚糖進(jìn)行分類，結(jié)果顯示表明AD中整體唾液化程度降低（圖1H-I）。糖蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示修飾每個糖肽的不同N-聚糖的數(shù)量在對照組和AD組中存在廣泛的異質(zhì)性（圖1J）。
圖1：AD組和對照組大腦的糖蛋白質(zhì)組學(xué)景觀
二、AD中位點特異性糖基化譜及N-聚糖分析
糖蛋白組學(xué)結(jié)果鑒定了一些全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）識別的AD危險因素（如ABCA7,ACE,CLU等）的位點特異性N-聚糖和N-糖型（圖2A）。其中AD相關(guān)蛋白的糖基化譜顯示了大量的聚糖和糖型多樣性，揭示了AD相關(guān)蛋白的N-聚糖修飾的異常與AD病理之間存在密切聯(lián)系。
圖2：AD中位點特異性糖基化譜及N-聚糖差異分析
進(jìn)一步將N-聚糖結(jié)構(gòu)分為七大類別：低聚甘露糖、低甘露糖型、殼聚糖核心、未經(jīng)修飾的復(fù)雜型/雜合型(既無巖藻糖基化也無唾液酸化)、僅巖藻糖基化、僅唾液酸化和唾液酸巖藻糖基化聚糖。相對豐度分析顯示低聚甘露糖蛋白質(zhì)修飾在人腦中非常豐富（~相對豐度的49%）（圖2B-D）。差異分析結(jié)果顯示AD中46個修飾發(fā)生顯著改變（圖2E），聚類分析表明鑒定出的46個差異聚糖修飾可以很好區(qū)分AD病人和健康人。研究人員發(fā)現(xiàn)在AD中下調(diào)的聚糖修飾中約有83%是唾液酸化的，其中以高度支化和拉長的唾液化聚糖為主，而上調(diào)的聚糖修飾均未發(fā)生唾液酸化，說明唾液酸化和N-聚糖分支/伸長的減少與AD病理相關(guān)。
三、AD中差異變化的N-聚糖修飾相關(guān)蛋白糖型分析
研究人員對糖型豐度進(jìn)行差異分析，AD組中鑒定出556個顯著差異變化的糖型，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)糖型豐度的變化大多是由位點特異性N-聚糖修飾水平的變化引起的，而不是由蛋白表達(dá)水平的改變引起。接下來，分析了179個糖型位點特異性的N-聚糖修飾和49個糖型缺失位點特異性的N-聚糖修飾，178個高糖基化蛋白516個高糖基化糖型以及來自71個低糖基化蛋白質(zhì)的161個低糖基化糖型（圖3A-C），發(fā)現(xiàn)高糖基化和低糖基化數(shù)據(jù)集都包含了低聚糖基化、寡聚糖基化、巖藻糖基化或唾液酸化改變的糖型和糖蛋白。功能分析結(jié)果顯示多種不同類型的細(xì)胞功能受到AD中聚糖修飾改變的影響（圖3D-F）。
圖3：AD中位點特異性N-聚糖修飾改變的糖型和糖蛋白功能分析
四、WGCNA分析揭示了與AD病理相關(guān)的聚糖模塊
為了深入了解人類大腦中的聚糖修飾以及在AD中的變化，研究人員利用加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析（WGCNA）構(gòu)建一個聚糖網(wǎng)絡(luò)，將人腦N-糖基化修飾組劃分為8個模塊（圖4A）。確定了一個正相關(guān)的聚糖模塊(GNM2)和兩個負(fù)相關(guān)的聚糖模塊(GNM1和GNM4)與AD狀態(tài)、Aβ病理、神經(jīng)原纖維纏結(jié)有顯著關(guān)聯(lián)（圖4B）。其中GNM2模塊在AD中糖基化修飾水平顯著升高，GNM1和GNM4模塊在AD中糖基化修飾水平顯著降低（圖4C）。
圖4：聚糖修飾共調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析和AD相關(guān)聚糖模塊的鑒定
五、AD腦中糖基化修飾失調(diào)影響多個中樞神經(jīng)系統(tǒng)
研究人員還使用WGCNA構(gòu)建一個糖型網(wǎng)絡(luò)，共確定了21個模塊，其中7個模塊與AD表型相關(guān)。功能分析顯示7個與AD相關(guān)的模塊都與細(xì)胞粘附過程中蛋白糖型過度表達(dá)顯著相關(guān)，包括神經(jīng)細(xì)胞粘附分子、突觸細(xì)胞粘附分子等（圖5D-F）。另一個顯著特征是這7個模塊與ECM組織和基質(zhì)體功能、基質(zhì)體蛋白的糖型富集相關(guān)。已有研究表明基質(zhì)體蛋白在炎癥反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。此外，AD相關(guān)模塊也包含其他炎癥相關(guān)蛋白的糖型?？傊?，這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了這些糖蛋白的糖基化修飾改變與AD患者的神經(jīng)炎癥之間有著密切聯(lián)系。
圖5：AD相關(guān)糖型模塊的功能分析
最后，研究人員結(jié)合已發(fā)表的AD大腦轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、蛋白組數(shù)據(jù)進(jìn)行多組學(xué)聯(lián)合分析進(jìn)一步評估了AD疾病中N-糖基化修飾酶和調(diào)節(jié)因子的變化。多組學(xué)分析的結(jié)果為N-糖基化機(jī)制失調(diào)在驅(qū)動糖蛋白質(zhì)重塑和參與AD發(fā)病機(jī)制中提供了強(qiáng)有力的支持。
研究結(jié)論
本研究首次使用基于完整糖肽的定量糖基化蛋白質(zhì)組學(xué)并結(jié)合共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，提供人類大腦中N-糖蛋白和N-糖基化位點及其在AD中變化的系統(tǒng)全景圖，是迄今為止最大的人腦糖蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)集。揭示先前未知的因疾病特征改變糖型和位點特異性糖肽，在分子和系統(tǒng)水平上為理解和治療AD提供了新的見解。
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