阿尔茨海默病的基因组学与功能基因组学研究进展
阿尔茨海默病的基因组学与功能基因组学研究进展 晒科网 打通科技成果转化最后一公里随着人口老龄化的加剧，老年高发疾病造成的社会经济负担渐趋沉重。
本文总结了多种基因组学分析手段鉴定与AD发生发展相关的遗传变异与风险基因，梳理了基于各种组学数据的功能基因组学研究手段，解析遗传变异背后的调控元件、效应基因及其分子过程的研究进展，以期为AD的发病机制解析、药物开发、精准诊治与早期预测提供参考。
阿尔茨海默病 (Alzheimer's disease， AD )，俗称老年痴呆，主要临床表现为语言、空间等记忆丢失与认知功能障碍， 核心分子病理特征 为大脑内β淀粉样蛋白(Aβ)积累形成的老年斑块沉积以及微管相关蛋白tau磷酸化形成的神经纤维缠结。
基于家系的连锁分析 可鉴定直接导致家族性早发型AD发病的致病基因及其突变;基于病例对照群体的特定候选基因关联分析、全基因组关联分析(GWAS)、全基因组测序、全外显子组测序 等遗传分析手段则可鉴定与散发性晚发型AD发生相关的遗传变异与风险基因。
这些遗传分析鉴定的遗传变异与致病基因及风险基因，可提示影响AD发生发展的分子通路，为AD的发病机制解析、药物开发、精准诊断与早期预测提供 基础数据 与 潜在靶点 。
AD基因组学研究进展
基于家系连锁分析的AD致病基因及其突变
基于常见变异基因分型的AD易感基因及其风险位点
风险位点多为频率较高的常见变异，主要形式为单核苷酸多态性( SNP )位点。
复杂疾病易感基因和风险位点的鉴定主要依赖于 大样本量病例对照群体的关联分析 ，即通过比较病例和对照样本的基因组中特定等位基因、基因型或单倍型的频率是否存在显著差异，从而确定该等位基因、基因型或单倍型是否与疾病相关。
通过早期关联分析鉴定到的AD风险基因为ApoE;其风险等位基因ε4是目前公认的效应最强的散发型AD遗传易感因子。
除ApoE外，基于小样本量的、特定候选基因的关联分析报道了数百个可能与AD易感相关的基因或位点，但大部分后续基因关联分析结果难以在不同的研究中得到验证，可靠的风险基因的鉴定依赖于 更大规模人群样本无偏倚的高通量筛选 。
GWAS 是2007年以来筛选复杂疾病遗传易感位点的最常用方法，能够不依赖预设发病假说、无偏倚地筛选出与疾病遗传易感位点。
国际范围内，AD遗传研究领域主要通过形成 样本与数据共享联盟 的方式克服样本量不足的问题，并报道了一系列基于大样本量的AD GWAS分析结果，已报道了近百个可能与AD相关的遗传变异位点。
2013年，国际阿尔茨海默病基因组项目组(IGAP)发表了AD GWAS研究的标志性论文，基于当时最大样本量，他们发现与确认了CR1、BIN1、CD2AP等 20个基因座 的遗传变异与欧洲人群AD风险相关，且将其汇总的统计结果开放下载。
然而，还有更多的AD风险位点 有待发现，这些新位点的识别在最近2年更大规模的AD GWAS研究中得到实现。
Marioni等发现15个IGAP报道的风险位点在近似AD样本中能够得到验证，并找到3个新的风险位点。
2020年11月，Wightman等发现了AGRN、FHL2、TNIP1等7个新的AD风险基因。
基于稀有变异高通量测序的AD易感基因及其风险位点
Jonsson团队发表了第一篇AD全基因组测序研究，发现TREM2基因中的稀有错义突变能增加AD患病风险，携带该突变能增加3倍 患AD的风险。
随后，Wetzel-Smith等在晚发型AD家系中鉴定到了UNC5C基因中的错义突变，Steinberg等的研究则发现GWAS易感基因ABCA7中的稀有错义突变与AD的风险相关。
美国国立卫生研究院衰老研究所和人类基因组研究所于2012年联合发起AD高通量测序项目--ADSP，发现了SORL1、ABCA1、FERMT2等基因的稀有变异在AD患者中显著富集，其中SORL1存在效应极强的极端稀有变异 ，突变携带者比非突变携带患者的发病年龄 提前了近7年 。
通过全外显子组测序鉴定到的较为重要的稀有变异还包括Cruchaga等发现的PLD3 p.V233M。
非欧洲裔人群的AD基因组研究
AD遗传研究联盟针对 非洲裔美国人 开展了系列基因组分析，发现部分欧洲裔AD人群风险基因在非洲裔美国人群中能够得到验证;并鉴定了AKAP9、COBL、SLC10A2等非裔美国人群特异的风险基因。
在亚洲人群 ，AD的全基因组水平的研究相对较少且样本规模较小。
日本AD遗传研究联盟发现PICALM、BIN1等欧洲人群重要的AD风险基因在东亚人群中得到类似结果，并发现SORL1基因的遗传变异在合并的分析中达到基因组水平显著。
Hirano等开展GWAS研究，未发现基因组水平显著的位点，仅提示了3个可能与AD风险有关的基因座。
Kang等发现ApoE区域以及CACNA1A与LRIG1是韩国人群AD易感基因。
在中国 ，第一个 全基因组水平的AD遗传研究 来自叶玉如院士团队，鉴定到4个中国人群的AD风险位点，分别位于GCH1、APOC1、KCNJ15和LINC01413中。
本研究团队报道了第一个中国汉族人群的全外显子组水平显著的风险变异 --补体因子C7基因稀有错义突变p.Q420K，该突变主要出现在东亚人群，携带者的AD发病风险比非携带者高约2倍。
贾建平教授团队报道了中国人群第一个 AD GWAS研究 ，再次验证了ApoE基因在不同人群均是AD的强效风险基因，并发现4个位点与中国人群AD遗传易感相关。
AD的功能基因组学研究进展
功能基因组学研究--跨越位点到靶点的鸿沟
DNA及其结合组蛋白的修饰，即 表观遗传改变 ，是调控基因组元件发挥转录调控功能的关键，也是环境因素与遗传因素交互作用的基础;而mRNA、蛋白、代谢物等是生命活动的执行者 。
以基因组变异及表观遗传修饰的基因组功能注释信息 为基础的表观组、转录组、蛋白组、代谢组等多种组学层面的数据 ，均属于广义的功能基因组研究的范畴。
AD的表观组学研究
2014年，Lunnon等和de Jager等发表了大规模的AD表观组关联研究(EWAS)，发现脑组织中ANK1等基因的甲基化在AD进展过程中发生了改变。
组蛋白修饰 也是表观遗传学研究的热点。
Nativio等发现AD会导致与衰老或AD相关基因附近的H4K16ac组蛋白修饰发生显著丢失。
Marzi等发现大量H3K27ac信号发生改变的区域，这些区域主要富集在与AD相关的通路，并覆盖了多个AD风险基因。
Klein等发现脑内tau蛋白对H3K9ac的影响更广泛，能导致大范围的染色质构象发生改变。
通过整合基因组层面数据，与其他层面组学数据，鉴定风险变异位点中的功能变异 与 效应基因 ，是当前复杂疾病遗传研究的热点。
Kikuchi等利用与染色质状态相关表观遗传数据对GWAS报道的AD相关SNP进行功能注释发现，大部分AD相关GWAS位点是位于增强子的变异，且通过影响染色质三维折叠来调控其靶基因表达。
AD的转录组与蛋白质组研究
随着转录组测序技术的进步，AD表达谱研究广泛开展，鉴定出了大量在AD中表达水平异常的基因以及受到干扰的通路，如 线粒体通路、钙离子信号通路以及神经炎症通路等。
本研究团队对AD相关脑组织表达谱数据进行了汇总与重新归一化，产生了基于大样本量的表达谱数据，给出了一个全面的基因差异表达列表 ，并构建了一个数据库AlzData( )。
基因转录 往往是通过共 表达网络模块的方式发挥作用。
Zhang等利用表达谱数据构建基因共表达网络，并通过表达数量性状位点数据，确定共表达网络中基因的上下游关系，发现免疫/胶质细胞相关模块与AD发病机制强烈相关，且TYROBP基因是该模块中起关键作用的调控因子。
本研究团队前期构建了不同脑区AD患者差异表达基因构成的调控网络，发现Hippo信号通路的转录共激活因子YAP1受遗传风险位点调控而发生表达水平改变的变化，能够扰乱进而影响整个脑表达调控网络，从而促进AD的发生发展。
蛋白组、代谢组 等多个水平的组学研究也为发现AD相关重要基因或通路，以及AD发病机制的研究提供了多个层面的证据。
Andreev等发现197种蛋白的水平在AD和对照间存在显著差异。
Johnson等发表了迄今最大的AD脑组织蛋白组数据，发现糖代谢相关模块在AD发病过程中表达升高。
而结合脑组织蛋白质组与AD相关GWAS位点的分析，则促进了单独GWAS水平未能关注的一批新基因的发现。
AD相关 代谢组、脂质组 等也取得部分进展。
Toledo等发现鞘磷脂以及含醚磷脂酰胆碱等代谢产物的水平与疾病或疾病发展进程相关。
Mapstone等发现了10个能够预测正常人是否在2~3年内会向AD/MCI转化的脂质分子。
上述研究主要基于欧美人群样本，在中国乃至亚洲人群还较缺乏相关的组学研究;国内建设的脑组织标本库 ，正在顺利推进，并取得了初步成果。
马超教授团队基于北京协和医学院人脑组织库的样本，发现突触结构蛋白与补体组分C1r、C5、C9等特异性出现在AD患者的脑组织斑块中，与前期基因组水平的数据共同提示了补体系统在AD发生发展中的重要作用。
阿尔茨海默病遗传研究的趋势与挑战
期待国内 AD遗传研究联盟 的尽早建立与 脑库 的大力发展，能够为中国AD人群全面的遗传分析与大数据解析提供核心促进作用。
基因组学与功能基因组学鉴定的结果 用于促进我们对发病机制的理解、转化为有效的干预靶点，还是很大挑战。
随着多组学数据的普及和前沿实验技术的发展， 促进位点到靶点、基因到机制的转化成为AD遗传研究领域的新兴课题。
这一方面依赖于单细胞水平的表观组、转录组等功能基因组数据的逐渐丰富，另一方面依赖于位点组合效应的探索、新型动物模型的产生。
另外，拷贝数变异、插入缺失、神经细胞体细胞突变等 遗传元件 的分析，仍待加强。
在可预见的未来，随着AD遗传与发病机制的充分解析、药物开发的不断努力以及基因治疗技术的不断革新，我们有理由相信，AD终将变成 可防、可控、可治 的疾病。