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  • PLOS GENETICS:阿尔茨海默病基于海马组织的全转录组关联研究以及神经生物学通路分析

    发布时间:2021-03-07    浏览次数:    作者:Admin


    天津医科大学总医院、天津市功能影像重点实验室于春水教授课题组与天津医科大学药理学系、医学表观遗传学省部共建协同创新中心李俊教授课题组合作,通过全转录组关联分析(Transcriptome-wide association study, TWAS)探索海马组织的转录与阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)之间的关联并进一步解释其潜在机制。本研究使用来自GTEx的全基因组测序数据(whole genome sequencing, WGS)和海马样本的RNA-seq数据建立海马组织中基因表达的预测模型。TWAS整合海马组织基因表达预测模型和全基因组关联分析(Genome-wide association studies, GWAS)数据来发现在海马中与AD关联的基因。基因水平的精细映射分析通过估计TWAS发现基因的后验包含概率,进一步优选与AD有因果关系的基因。接下来通过基于PPI网络的分析、富集分析和海马组织特异的基因网络分析对所识别基因进行功能注释。最后结合ADNI影像遗传数据,建立了海马体积介导的海马组织基因表达与AD之间的关联。相关研究成果于近期在线发表在PLOS Genetics2019年影响因子5.1745年影响因子5.857),题目为Hippocampal transcriptome-wide association study and neurobiological pathway analysis for Alzheimer's disease。天津医科大学总医院博士研究生刘娜娜、天津医科大学总医院讲师徐佳圆、天津医科大学总医院讲师刘怀贵为本文共同第一作者,天津医科大学总医院于春水教授、天津医科大学李俊教授为本文共同通讯作者。

    前言:

    AD是一种临床上以进行性痴呆为特征的神经退行性疾病,其病理特征是由淀粉样蛋白组成的老年斑和由过度磷酸化的tau蛋白组成的细胞内神经纤维缠结。AD是一种高度遗传性疾病,因此探索其遗传机制十分重要。尽管目前GWAS在识别AD相关遗传变异方面取得了快速进展,但发现的遗传位点的致病机理在很大程度上是未知的。TWAS通过整合特定组织的全基因组表达数据及疾病相关的GWAS数据,可以探索相关组织中的基因表达与疾病的关联。AD以海马的早期及进行性损害为特征,然而,海马组织的基因表达和AD之间的关联仍需进一步研究。

    在本项研究中,我们首先使用GTEx WGS数据和海马组织RNA-seq数据建立海马转录组预测模型,然后使用预测模型和AD GWAS数据进行TWAS来识别海马相关的AD候选基因,并且在验证数据中重复结果,接下来对AD TWAS关联基因进行精细映射分析进一步优选基因。为了探索得到基因的组织特异性,我们基于另外四个脑组织建立预测模型及进行TWAS分析来进行对比。后续基于PPI网络的分析、富集分析和海马组织特异的基因网络分析对发现的AD关联基因进行注释。最后,在ADNI神经影像数据中验证海马相关的AD候选基因,并建立从AD风险基因到海马体积再到AD的通路。本研究流程的示意图如图1所示。


    1 研究设计流程图。

    1 海马组织基因表达预测模型及TWAS发现AD关联基因

    在海马组织15831个纳入分析的蛋白质编码基因中,我们为15017个基因建立了有效的海马转录预测模型,建立预测模型的成功率为94.9%,这些基因在海马组织中预测和观察到的表达值之间的平均皮尔逊相关系数如图2A所示。我们建立的预测模型的r值相对较高,表明这些模型预测海马表达的性能良好。接下来利用从455,258例被试的GWAS数据获得的SNPsAD的关联信息以及海马组织预测模型中的SNPs与转录的关联信息,我们进行TWAS来探索AD与海马组织基因表达之间的关联。我们发现了54个基因在海马组织中的表达与AD显著相关(图2B)。在GWAS验证数据集(63,926例被试)中,我们验证了36/54个基因。



    2 TWAS预测模型和发现阶段结果。

    A15017个显著的海马转录预测模型的平均皮尔逊相关系数。(BTWAS发现阶段的曼哈顿图。

    2 FOCUS精细映射AD关联基因

    为了排除发现的AD关联基因是由于LD或者预测模型的共调控导致的可能性,我们使用FOCUS计算了每个TWAS关联基因的后验包含概率,并根据90%的置信区间推断是否为因果基因。结果显示,在36TWAS发现和验证的AD关联基因中,有24个是因果基因(图3)。



    3  TWASFOCUS结果。

    绿色圈图显示本研究TWAS发现阶段结果的环形曼哈顿图。蓝色圈图代表验证阶段的AD TWAS结果。橙色圈图表示FOCUS的结果,即在TWAS发现及验证的36个基因中有24个基因包含在可信基因集中(90%置信水平)。

    3 TWAS基因的组织特异性

    我们通过研究其他四个皮层下组织(杏仁核,尾状,伏隔核和壳核)这24个基因的表达与AD的关联,来看这些基因是否特异性影响海马。我们将与海马组织相同的分析方法用于其他四个组织来进行预测模型的建立以及TWASERCC2EXOC3L2PTPN9HLA-DRB5PCDHA4仅在海马组织中的基因表达与AD相关。更多的基因显示出对AD具有组织共享的遗传贡献(图4)。



    4 不同大脑皮层下组织的TWAS结果比较。

    (A)气泡图显示不同大脑皮层下组织的TWAS结果。 (B) 条形图显示了仅在海马组织中与AD相关的5个基因。

    4 AD相关基因的功能注释

    为了确定24AD相关基因的功能关系和涉及的生物学过程,我们首先构建了PPI网络,APP是网络的中枢节点,说明这些基因具有协同的生物学功能并且与APP相互作用。接下来,我们使用富集分析来识别所生成网络参与的生物学过程。这些基因主要富集在神经元相关的生物过程,例如神经元凋亡过程、轴突发生和中枢神经系统发育。这些基因还富集到淀粉样蛋白、tau磷酸化及端粒酶相关过程。这些结果说明我们发现的AD相关基因在一个共同的PPI网络中相互连接,并与AD的神经病理学过程相关。最后,基于海马组织的网络将PPI网络中的72个基因聚类成5个功能模块,参与不同的生物学过程(图5)。



    5  AD相关基因的功能注释。

    (A) PPI网络包含22个种子基因和周围最邻近的50个基因。(B)气泡图显示PPI网络所富集的生物过程。(C) AD-TWAS基因在基于海马组织的网络中形成功能模块。

    5 AD关联基因在ADNI数据中的分析

    TWASFOCUS发现了24个基因的海马表达在AD和正常对照组之间有显著差异,我们进一步在ADNI数据中验证这些发现。7个基因的海马组织基因表达在ADNI数据中有显著组间差异(图6A)。其中有2个基因在MCI-CMCI-S也有显著组间差异(图6B)。由于发现的AD关联基因在海马存在异常转录,并且AD以海马萎缩为特征,我们进一步探索这些基因的表达是否与海马体积相关,发现平均海马体积与QPCTLERCC2在海马组织的表达显著相关(图6C6D)。海马体积作为AD重要的内表型,可能介导海马组织基因表达(QPCTLERCC2)与AD之间的关联。通过中介分析,我们发现了QPCTLAD显著的间接效应和直接效应(图6E),说明QPCTL在海马的表达可以通过影响海马体积进而影响ADERCC2AD存在显著的间接效应,直接效应不显著(图6F),说明ERCC2在海马组织的表达主要通过影响海马体积进而影响AD



    6  ADNI神经影像数据分析。

    A)柱状图显示7个基因的海马组织的表达在ADCN组有显著差异。(B)柱状图显示了QPCTLAPOE的海马组织的表达在MCI-CMCI-S组之间的显著差异。(CD)散点图显示线性回归中QPCTLC)及ERCC2D)的海马组织基因表达与平均海马体积之间的显著关联。(EF)中介分析结果显示,平均海马体积介导了QPCTLE)和ERCC2F)在海马组织基因表达对AD的作用。

    讨论:

    本研究联合使用TWAS和基因水平的精细映射方法来识别在海马组织中的表达与AD关联的基因,筛选出24个海马相关的AD候选基因,这些基因参与淀粉样蛋白形成、磷酸化/去磷酸化、神经元凋亡、神经发生和端粒酶等AD相关的生物过程。在ADNI神经影像数据的分析发现海马体积可以介导ERCC2QPCTL在海马组织的基因表达与AD的关联。本研究筛选出通过调节海马组织的基因表达与AD关联的候选基因并进一步强调了海马在解释AD遗传风险中的重要性。

    论文信息:

    Liu N, Xu J, Liu H, Zhang S, Li M, Zhou Y, Qin W, Li MJ, Yu C; Alzheimer’s disease Neuroimaging Initiative. Hippocampal transcriptome-wide association study and neurobiological pathway analysis for Alzheimer's disease. PLoS Genet. 2021 Feb 25;17(2):e1009363. doi: 10.1371/journal.pgen.1009363. PMID: 33630843.

    多家国外学术网站报道了本项研究:

    AZoLifeSciences: https://www.azolifesciences.com/news/20210301/Two-new-Alzheimere28099s-genes-discovered.aspx

    Eurekalert: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/p-tng021821.php

    Genomeweb:https://www.genomeweb.com/gene-expression-research/new-alzheimers-disease-genes-linked-through-transcriptome-wide-study#.YD4A02gzZPY