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Current Biology | 加州大学钟声团队:“一滴血”中的胞外RNA或可在无症状期预测老年痴呆

阿尔茨海默症(AD)在出现临床症状之前,约有15年的发展期。如果能够在AD发病前的无症状期,利用新型生物标志物实现早期预测和诊断,将有助于为患者提供更及时的干预和治疗。但在AD患者中,AD相关遗传变异的低外显率使得该疾病的早期诊断比较困难。科学家认为,人体血液中的游离RNA(exRNA)或有成为AD相关新型生物标志物的潜力。

目前,已报道的人体exRNA测序数据均基于横向研究。由于不同个体之间的exRNA水平存在较大差异,因此基于当前数据来鉴定生物标志物具有一定的挑战性。理论上,来自同一个体的纵向研究可以解释个体间的差异,并有助于寻找疾病相关的exRNAs。因此,获得exRNAs纵向数据以开发生物标志物十分必要。

发表文章截图,来源:Current Biology

2020年3月26日,加州大学钟声教授研究团队及合作者Edward Koo教授在国际期刊Current Biology发表了关于AD早期预测exRNA新型生物标志物的最新研究成果。研究团队利用SILVER-seq液体活检技术,在纵向收集的人血浆样本中生成了exRNA图谱。研究发现,与对照组相比,患者大脑中AD激活基因和转座子的exRNAs表现出一致的增加趋势。通过显著性分析发现,在3个独立队列的AD脑转录组中,PHGDH是唯一一个表现出一致上调,且与对照组相比在AD血浆中增加的基因。经验证,血浆exRNA水平具有作为AD症状前标志物的潜力,为AD患者的早期预测、诊断研究提供了新的研究方向。

该研究由加州大学圣地亚哥分校钟声团队联合神经科学系Edward Koo教授共同完成,并得到Genemo公司的大力支持。在这项最新研究中,研究团队采用了纵向研究的方式,分析使用的164份血浆样本均来自70岁以上的AD患者。这些患者为UCSD Shiley-Marcos阿尔茨海默症研究中心2000年~2015年的研究对象,患者在死亡前已进行了长达15年的临床随访,并且死后大脑的病理分析证实了其临床诊断。该研究还设置了与研究对象年龄匹配的对照组。此外,研究中使用的一项关键技术为钟声教授团队在2019年成功开发的SILVER-seq技术,该技术是一种低上样量exRNA液体活检技术。利用SILVER-seq技术,仅需单滴量级(5~7µL)的液体活检样本,便可对完整和碎片化的exRNA进行有效测序,帮助诊断人类生理和疾病状态,更容易用于临床疾病的筛查和监测。

图1.血浆中脑特异性基因和SILVER-seq检测基因的关联。(A)大脑特异性基因(x轴)的大脑表达水平;(B)脑特异基因表达与检测到基因之间的优势比分布。(SILVER-seq的TPM> 5)。来源:Current Biology

首先,为了解SILVER-seq检测到的大脑特定基因的几率是否与该基因表达水平相关,研究团队选取了1,514个脑特异性基因。结果显示,大脑特异性基因的表达水平越高,SILVER-seq在血浆中检测到该基因的几率就越大(图1)。并且在男性、女性,年轻人和老年人受试者的脑特异性基因表达中也存在这种正相关性。

随后,研究人员重点研究了在AD中被认为确实上调的RNA转录组,以分析大脑过表达基因在血浆中的exRNA水平是否比对照组的水平更高。研究发现,与对照组相比,AD患者大脑中AD激活基因和转座子(ERV1和SINE)的exRNAs在血浆中表现出一致的增加趋势。(图2)此外,研究人员检索了1375个与脂质代谢过程相关的基因,发现AD患者血浆中脂质代谢过程基因的整体exRNA也增加,包括ACHE、APOE、ESR1和APP等基因。与对照血浆相比,这4个基因的exRNA在AD血浆中增加最多,但均未显示出统计学上的显著差异。

图2.大脑和血浆中,AD相关ERV1转座子的转录组一致增加。(A)已报道研究中,AD大脑和对照大脑中ERV1和SINE(列)中每个转座子(点)的比较,增量最大的3个ERV1转座子分别用紫色、红色和蓝色标记。(B)AD血浆和对照血浆中,ERV1和SINE每个转座子的比较。(C)对照组和AD组血浆中PRIMA4_LTR水平比较。来源:Current Biology

综上所述,对包括ERV1和SINE转座子、脂质代谢过程基因等的基因组分析表明,大脑中上调的AD相关转录组在血浆中表现一致的exRNA增加趋势,表明了在血浆中寻找AD相关单基因exRNA生物标志物的前景和挑战。

该研究中,血浆中AD相关exRNA增幅最大的基因是磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)基因。研究团队通过多次独立研究和验证,发现在3个独立队列的AD脑转录组中,PHGDH是唯一一个表现出一致上调,且与对照组相比在AD血浆中exRNA增加的基因。此外,研究团队利用另外5个已发表的研究成果验证了PHGDH在AD中的血清exRNA和脑蛋白表达增加。

图3. AD基因的血浆exRNA水平变化。(A)血浆脂质代谢过程基因和AD基因的分布。AD基因exRNA的变化。(C)大脑中PHGDH表达水平,对照组和AD组。(D)血浆中PHGDH水平。来源:Current Biology

最后,研究团队比较了发展期AD患者和老年健康对照者体内exRNA的变化轨迹。研究发现,在11位AD患者从正常到认知障碍的转变过程中,每位患者的血浆PHGDH exRNA都在出现临床症状前增加(图4)。在9位对照者中,有8位在整个随访期间都保持稳定。以上数据表明,通过筛查和研究纵向exRNA变化,血浆exRNA水平具有作为AD症状前生物标志物的潜力。

图4.11位发展期AD患者的PHGDH exRNA水平变化。来源:Current Biology

一直以来,关于exRNA是否可以反映大脑的生理状况,仍然是一个悬而未决的问题。由于受到脂质体和细胞外载体的保护,血浆exRNA的平衡浓度保持在约10 pmol / L。因此通过血液exRNA评估脑基因表达具有一定的可行性。该研究发现,老年人大脑和血浆中与AD相关的基因表达变化一致的趋势,因此可能将候选血液生物标记物扩展到在AD发展过程中被激活的广泛基因,有助于AD的早期诊断及研究其早期适应症。此外,数据表明,血浆中PHGDH的exRNA水平可能会识别出大脑NMDA受体活性可能升高的患者。因此,血浆PHGDH的exRNA水平或可作为生物标志物,预测AD患者使用NMDA抑制剂类药物包括盐酸美金刚的治疗功效。

钟声

钟声,加州大学圣地亚哥分校生物工程系教授,美国医学与生物工程院会士,Genemo 公司的共同创始人。他曾师从王永雄教研究生物信息学。他的实验室主要研究基因调控如何影响细胞行为。实验室通过开发新的生物技术来绘制分子网络,包括RNA-RNA 相互作用组,RNA-DNA相互作用组和蛋白质相互作用组, 进而开发基于核酸的体外检测方法和治疗技术。他和钱煦教授共同担任美国国立卫生研究院共同基金四维核体组织中心主任。Genemo公司提供基于SILVER-seq技术的液体活检服务 (https://www.rnadiagnosis.com) 。

参考资料:

Presymptomatic increase of an extracellular RNA in blood plasma is associated with the development of Alzheimer’s disease. Current Biology, 2020

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30291-8

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本文由 SEQ.CN 作者:戴胜 发表,转载请注明来源!

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