杭州景杰生物科技股份有限公司

分析测试百科网 > 行业资讯 > 微信文章

Sci Adv | 揭示迄今阿尔兹海默症最完整的糖基化修饰分子网络全景以及AD调控机制

精准医学与蛋白组学

2020.11.23

景杰学术 | 报道
题目：Integrative glycoproteomics reveals protein N-glycosylation aberrations and glycoproteomic network alterations in Alzheimer’s disease（整合糖基化修饰组学技术揭示阿尔兹海默症患者糖基化修饰分子网络改变机制）发表时间：2020年10月2日期刊：Science Advances影响因子：13.116作者及单位：美国埃默里大学医学院的研究学者主要结论：揭示了AD患者及正常大脑的第一个大规模N-糖基化修饰组学数据集。关键词：N-糖基化；N-糖肽/糖蛋白共调节网络；淀粉样β蛋白；OST复合物

背景介绍

阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD）是不可逆性神经退行性痴呆。尽管已有研究表征了AD患者在基因组、转录组和蛋白质组学水平上的差异，但对AD脑蛋白质翻译后修饰水平的全系统变化的了解仍然非常有限。蛋白质N-糖基化是细胞中翻译后修饰中最普遍的类型，其在细胞外、细胞表面、细胞内的广泛定位，使得其对于调节配体-受体相互作用、细胞间通讯、免疫应答、膜运输和细胞信号传导特别重要，也使其成为疾病生物标志物和药物靶标的潜在来源。

先前的研究在AD患者的脑脊液和脑样本中观察到了N-聚糖结构的变化，暗示了异常的N-糖基化在AD中的潜在作用 [1]。例如，与AD相关的蛋白APP、BACE1以及γ-secretase component nicastrin会发生N-糖基化修饰，影响细胞运输、亚细胞定位以及降解；与微管相关的胞质蛋白tau在AD中也会被N-糖基化，但其糖基化位点也尚未可知。

文献精读

上月，美国埃默里大学医学院药理化学系和神经退行性疾病中心Li Lian研究团队在Science Advances (IF=13.116) 上发表重磅研究成果 [2]。研究描述了一项大规模的针对特定位点的N-糖蛋白组图谱研究，使用基于质谱的定量N-糖基化修饰组学方法表征了AD患者及对照大脑样本中N-糖蛋白和N-糖基化位点的第一个系统级全景图，并创造性提出了以前未知的AD脑N-糖蛋白组变化，为理解和治疗AD提供了新的见解。

1、AD患者及对照大脑的N-糖基化修饰组学分析

研究使用基于ZIC-HILIC的N-糖肽富集、N-糖基化位点¹⁸O标记以及LC-MS/MS技术 （质谱策略），对8例AD患者和8例匹配的健康人脑背外侧前额叶皮层组织样本（样本策略）进行了定量N-糖基化修饰组学分析。从1,132个特异性糖蛋白中分离到2,294个不同的N-糖基化位点，总共4,730个N-糖基化肽（图1A-D）。这是迄今为止第一个大规模N-糖基化修饰组学数据集，其中包括554种尚未在UniProt数据库中标注的新型N-糖基。该数据集表明了脑N-糖基化修饰组与蛋白质组的整体差异（图1E），还通过全基因组关联研究（GWAS），确定了AD相关蛋白（图1H-J），表明其N-糖基化异常与AD病理学之间存在联系。

图1 AD和对照脑中定量N-糖基化修饰组学分析

2、AD中差异性变化的N-糖基化蛋白和N-糖基化位点识别

接下来，研究者进行了差异化糖肽丰度分析，筛选出与对照组相比，AD中显著变化的118个N-糖肽（图2A，其中54个糖肽来自44个显著上调的糖蛋白，64个糖肽来自47个显著下调的糖蛋白）。在证实了AD中N-糖肽丰度的变化是由于N-糖基化位点占有率的改变而不是蛋白质表达的改变后，研究鉴定出76种糖肽的N-糖基化特征，可将大多数AD病例与对照区分开来（图2B）。
GO细胞成分富集分析表明，低糖基化和高糖基化数据集均显著富集了定位于质膜以及神经元和突触膜的膜糖蛋白（图3C）。值得注意的是，AD中的高糖基化蛋白被选择性地富集于与细胞外基质组织、炎症反应、内吞作用和溶酶体运输相关的过程，低糖基化蛋白则与离子跨膜运输、细胞钠和钾离子稳态、谷氨酸受体功能以及学习或记忆过程相关（图3D, E）。

图2 与AD相关的N-糖基化特征及注释

3、N-糖肽/糖蛋白共调控网络表征糖基化位点与AD表型的关联

应用加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究构建了N-糖肽/糖蛋白共调节网络，将人脑N-糖基化修饰组划分为13个共调控N-糖肽/糖蛋白的集成模块（GM1-13，图3），并对其中六个与AD表型相关的模块（四个正相关：GM4、GM6、GM8、GM12；两个负相关：GM1、GM9）的糖蛋白富集所能说明的病理学问题进行了详细解析。首次揭示了N-糖基化异常会通过影响炎症反应（GM6），诱导细胞黏附功能障碍（GM4，GM9），引起星形胶质细胞功能障碍、BBB损伤和神经炎症（GM8），突触功能障碍（GM12，GM9）,内吞运输失调和溶酶体功能障碍（GM1）等促进AD发生。

图3 N-糖肽/糖蛋白共调节网络分析和AD相关糖集成模块识别

4、AD和APP/PS1小鼠大脑之间蛋白质N-糖基化的对比

研究者进一步将人AD糖网络分析结果与最近报道的APP/PS1小鼠（JAX-004462，成熟的AD小鼠模型）大脑的糖基化修饰组数据 [3] 进行了比较。结果突出了淀粉样β蛋白可触发神经元、突触蛋白、细胞外基质蛋白、溶酶体蛋白的N-糖基化改变，从而促成AD中的神经元信号失调、突触功能障碍、细胞外基质功能障碍、溶酶体功能障碍。
然而，APP/PS1小鼠的大脑中许多已鉴定的与人AD相关的N-糖蛋白和N-糖苷没有改变，这表明除了淀粉样β蛋白沉积以外，还存在其他上游因素，对人AD脑中N-糖基化修饰的重塑和糖网络的改变有关。

5、AD脑中N-糖基化机制成分的改变

蛋白N-糖基化由ER定位的OST催化，其催化亚基STT3A、STT3B等基因的突变会导致先天性糖基化紊乱并伴有脑功能异常。于是研究者检查了AD患者和对照组的脑组织（额叶皮层或内嗅皮层）的四个不同转录组数据集中OST复合亚基的mRNA表达谱（图4A）。
结果表明，AD脑中几种OST亚基的mRNA表达水平均发生了改变，STT3B蛋白水平上调，STT3A N544和N548位点被N-糖基化（但与大脑控制无关），STT3B N627的N-糖基化与GM4中的AD表型正相关。以上结果表明，OST复合物表达和活性改变，与导致AD脑蛋白N-糖基化失调和糖网络改变有关。同理，研究还证实了低聚果糖寡糖生物合成中酶表达的改变（如ALG蛋白、DPM1等）也可能促进了AD脑中蛋白质N-糖基化的变化。

6、鉴定用于AD诊断发展的N-糖肽生物标志物候选物

通过对N-糖基化位点差异分析和N-糖肽共调节网络分析的结果进行整合，研究者筛选出了24个集成糖肽，其能将AD患者与正常对照完全区分，支持了其作为新型AD生物标志物的潜力。研究还揭示了18种AD特异性的糖肽，并且这些N-糖肽是由于N-糖基化发生了变化，而不是蛋白质表达发生了变化。此外，还存在两个在AD中N-糖基化完全丧失的糖肽。这20种独特的N-糖肽/糖位为AD生物标志物的开发提供了潜在靶标（图4）。

图4 AD中N-糖基化改变的潜在原因综合分析及N-糖肽生物标志物

小结

本篇研究针对AD患者大脑及对照样本进行了首次大规模、基于特定位点的定量N-糖基化修饰组学图谱研究，描绘了人脑N-糖蛋白和N-糖基化位点的系统全景图，并确定了AD中N-糖肽、N-糖蛋白和N-糖基化位点改变的疾病特征。糖皮质激素驱动的网络分析表明，在13个共同调控N-糖肽/糖蛋白的模块中，有6个与AD表型有关。研究显示，AD脑中N-糖基化受到多种失调的过程和途径影响，包括细胞外基质功能失调、神经炎症、突触功能失调、细胞粘附改变、溶酶体功能失调、内吞性运输失调、内质网功能失调和细胞信号失调。本篇研究重点突出了与AD发病机理相关的N-糖基化异常的部分，在分子和系统水平上为理解和治疗AD提供了新的见解。

糖基化修饰组学

糖基化修饰（glycosylation）是一种重要且广泛存在的蛋白质翻译后修饰方式。生物体内一半以上的蛋白存在糖基化修饰，包括转录因子，糖代谢相关酶类等。

参考应用与案例

生理机制研究：糖基化修饰影响蛋白质空间构象、活性、运输和定位，广泛参与到细胞间识别、调控、信号传导、免疫应答、细胞转化等生理过程。※ 案例：SIRT1的O糖基化修饰调控细胞应激反应O-GlcNAcylation of SIRT1 enhances its deacetylase activity and promotes cytoprotection under stress. Nature Communications (IF=12.121).

病理研究：异常的蛋白质糖基化修饰通常与许多疾病的病理进展有关，包括癌症、神经退行性疾病、肺部疾病、血液疾病和遗传病等。大多数糖蛋白质是潜在的药物作用靶标，这使糖蛋白成为临床和生物学研究中一类重要目标。※ 案例：磷酸化/糖基化修饰组学揭示肝母细胞瘤调控机制与潜在治疗靶点Global profiling of O-GlcNAcylated and/or phosphorylated proteins in hepatoblastoma. Signal Transduction and Targeted Therapy (IF=13.493).
疾病生物标志物：糖基化蛋白通常位于细胞表面且容易分泌到循环系统中，具有作为疾病诊断生物标志物的巨大潜力。※ 案例：Cancer Cell：多维组学整合分析，揭示早期胃癌的分子特征Proteogenomic Characterization of Human Early-Onset Gastric Cancer. Cancer Cell (IF=26.602).
农林领域：糖基化修饰广泛应用于农林领域研究，研究证实糖基化修饰参与调控植物免疫、生长发育、逆境胁迫等重要生物学过程。※ 案例：种康院士团队揭示糖基化和磷酸化介导冬小麦春化反应开花的新机制The protein modifications of O-GlcNAcylation and phosphorylation mediate vernalization response for flowering in winter wheat. Plant Physiology (IF=6.902).

阿尔兹海默症 | 精彩推荐

文献阅读大赛04 | Neuron：彭隽敏团队大样本磷酸化组学揭示阿尔茨海默病分子网络

2020-10-26

消失的记忆能恢复吗？Cell Stem Cell：蛋白质组学揭示阿尔兹海默症发病机制及改善关键

2020-10-09

Nature Medicine重磅突破，报道迄今为止最大规模的阿尔兹海默症蛋白组学研究

2020-04-14

Neuron:蛋白质组学揭示阿尔兹海默症突触减少的分子机制

2018-11-19

防患未然，蛋白组学鉴定血液生物标记物，前瞻性预测阿尔兹海默症Aβ的沉积

2019-11-15

参考文献：
[1] S. Schedin-Weiss, et al. 2019. Glycan biomarkers for Alzheimer disease correlate with T-tau and P-tau in cerebrospinal fluid in subjective cognitive impairment. FEBS J.
[2] Qi Zhang, 2020. Integrative glycoproteomics reveals protein N-glycosylation aberrations and glycoproteomic network alterations in Alzheimer’s disease. Sci Adv.[3] P. Fang, et al. 2020. Multilayered N-glycoproteome profiling reveals highly heterogeneous and dysregulated protein N-glycosylation related to alzheimer''s disease. Anal. Chem.

本文由景杰学术团队报道，欢迎转发到朋友圈。如您需要搜索更多往期精彩内容，可点击公众号右上角人像标志后，在上方搜索框内通过关键词搜索相关内容。如有转载、投稿等其他合作需求，请文章下方留言，或添加微信ptm-market咨询。