大家好,今天跟大家分享一篇题为Human and mouse proteomics reveals the shared pathways in Alzheimer’s disease and delayed protein turnover in the amyloidome(人类和小鼠蛋白质组学揭示了阿尔茨海默病的共同途径和淀粉样蛋白组中延迟的蛋白质周转)阿尔茨海默病 (AD) 是一种进行性神经退行性疾病,是导致痴呆的最常见原因,影响着 600 多万美国人。

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研究背景

阿尔茨海默病 (AD) 的小鼠模型对于阐明疾病机制至关重要,但在完全代表 AD 分子复杂性方面存在局限性。在这里,我们介绍了跨淀粉样变性多个小鼠模型的全面、年龄依赖性脑蛋白质组和磷酸化蛋白质组。我们通过与人类元数据整合确定了共享途径,并通过多组学分析确定了优先级成分。

总的来说,两种常用模型(5xFAD 和 APP-KI)复制了 30% 的人类蛋白质改变;tau 和剪接病理学的额外遗传结合将这种相似性提高到 42%。我们剖析了AD和5xFAD小鼠大脑中的蛋白质组-转录组不一致性,揭示了不一致的蛋白质富集在淀粉样斑块微环境(淀粉样蛋白组)中。

我们对 5xFAD 蛋白质组周转的分析表明,淀粉样蛋白的形成延缓了淀粉样蛋白组分的降解,包括 Aβ 结合蛋白和自噬/溶酶体蛋白。我们的蛋白质组学策略定义了共享的 AD 途径,确定了潜在靶点,并强调蛋白质周转会导致 AD 进展期间的蛋白质组-转录组差异。

见图一脑MS分析揭示了AD小鼠模型中共享的蛋白质组学变化。

图一

a 本研究的示意图。通过TMT-LC/LC-MS/MS分析来自淀粉样变性AD模型(5xFAD、NLF、NLGF和匹配的WT,16个条件的总n = 66,每个条件的平均n = ~4)的小鼠皮质组织,并与人类元数据进行比较。

b 在不同年龄(3-18个月)定量的蛋白质。

c 使用肽 HDSGYEVHHQK 通过 MS 量化的 Aβ 水平(SD ±平均值,n = 2、5、6、2、2、2、2、3、2、3,每组,从左到右)。对每个年龄和模型的值进行平均,然后归一化为 12 个月大的 5xFAD (100%)。

d AD小鼠和WT对照在年龄增长时之间的DEP,由具有统计截止值的调节t检验定义(FDR < 0.05,|log2FC | > 2 SD)。

e 用于NLGF-WT比较的代表性火山图(调节t检验)。单个标准对应于数据点,如果分别按照统计截止值的定义上调或下调(FDR < 0.05,|log2FC | > 2 SD,虚线),则颜色编码为红色或蓝色。

f 在任何年龄或基因型的 AD 小鼠中鉴定的 DEP 热图,包括富集于 5xFAD 或 NLGF 的蛋白质以及两只小鼠共享的蛋白质。

g 5xFAD 和 NLGF 中共享 DEP 的通路分析。FDR 是根据 Benjamini-Hochberg 程序的 p 值(Fisher 精确检验)得出的。h,使用共享DEP从生物过程中富集PPI模块。

见图二

组织磷酸蛋白质组学定义了整个蛋白质组之外的新调节层。

图二

a 对 36 只 5xFAD 和 NLGF 小鼠及其年龄匹配的对照进行了磷酸化蛋白质组分析。我们量化了所有小鼠中共有的 12,096 种磷酸肽(肽 FDR < 0.01),并通过调节 t 检验进行统计比较。鉴定出122个DE磷酸肽(80个蛋白)(FDR < 0.05,|log2FC |> 2 SD)。

b 磷酸化-Ser/Thr/Tyr在已鉴定的磷光矿中的分布。

c 12 个月大 5xFAD 与 WT 相比的磷酸化蛋白质组数据的火山图。虚线表示截止值。

d 12 个月大 NLGF 与 WT 相比的磷酸化蛋白质组数据的火山图。

e 5xFAD 和 NLGF 小鼠中 DE 磷蛋白的热图,显示了蛋白质亚细胞位置。

f DE 磷蛋白的 PPI 模块。

g DEPs在磷酸蛋白质组学和全蛋白质组分析中的重叠。仅计算两种 AD 模型中一致的 DEP。

h 用于识别改变激酶活性的生物信息学方法。提取激酶-底物键,通过KSEA算法推断激酶活性。MAPK 激活的一个示例基于 KSEA。磷酸肽水平使用随附的梯度显示。i 衍生激酶作用的热图。通过与WT的比较计算5xFAD和NLGF的倍数变化。

见图三

小鼠蛋白质组学与人类元数据的比较确定了共同的蛋白质组学变化。

图三

a 我们在 30 多项人类 AD 蛋白质组学研究中鉴定了 866 种持续改变的蛋白质,其中 654 种在 AD 小鼠的蛋白质组学分析中进行了定量。其中,196 个 (30%) 在至少一个小鼠模型中差异表达(FDR < 0.05,|log2FC |> 2 SD)。

b 人AD与不同小鼠模型之间重叠的DEP数量。

c 人AD,5xFAD和NLGF小鼠共享的DEP。

人类和小鼠揭示了阿尔茨海默病和淀粉样蛋白组中蛋白质周转延迟的共同途径

d 对数 Z 分数之间的散点图比较2折叠变化值(对数2FC-Z)在12个月龄时人类AD/对照病例和小鼠模型/WT。每个点代表一种蛋白质,颜色表示点密度。显示了 Pearson 相关 (R) 值和相关的 p 值。

e 显示日志的热图2人-小鼠共享AD蛋白的FC值,按生物学途径分类(调节t检验,FDR<0.05)。

f 用于推导通路活性的工作流程。积分每个途径中蛋白质的FC以计算途径活性。g AD 和小鼠模型中通路活性的热图。

见图四

除淀粉样变性外,具有其他病理的小鼠模型增加了与AD的相似性。

图四

a 另外两种表达其他AD病变的小鼠模型的蛋白质组学分析:WT(n = 8)和3xTG(Aβ和tau病变,n = 19),以及WT(n = 4)和BiG(Aβ和U1剪接病变,n = 4)。所有小鼠均为~6个月大。对蛋白质组学数据进行DE分析,并与人类AD数据进行比较。

b、c 火山原木图2与WT相比,3xTG和BiG小鼠中的FC和FDR,DEP以颜色突出显示,截止线用虚线表示。

d、e仅在个体小鼠中发现的显着改变的DEP的选定蛋白质-蛋白质相互作用,例如3xTG中的MAPT相互作用组和BiG中的剪接/突触相互作用组。

f AD 小鼠模型中在 AD 中持续改变的 DEP 数量。该百分比是使用654个AD DEP的分母计算的,这些DEP可通过小鼠的MS检测到。

g 使用顺序统计学通过多组学对单个蛋白质进行排名的策略。(i)来自5xFAD和NLGF的所有年龄依赖性蛋白质组学数据最初被合并到淀粉样变性蛋白质组和磷酸化蛋白质组的两个数据集中。(ii) 然后将这些数据集与 10 个其他数据集集成,其中包括小鼠转录组 (5xFAD)、3xTG/BiG 蛋白质组、来自 GWAS 的人类遗传数据、人类转录组、蛋白质组(MCI 和两项独立的 AD 研究,n = 3)、磷酸化蛋白质组和相互作用组数据集。

h 通过组合 12 个数据集定义的蛋白质综合排名。整个数据集根据所有已识别的基因/蛋白质进行排名。随后,我们提取了AD-小鼠共享蛋白的排名(n = 275)。显示前 20 个蛋白质,缺失值用白框表示。

见图五

AD和小鼠模型显示转录组-蛋白质组不一致,其中包括淀粉样蛋白组中富集的RNA非依赖性上调蛋白。

图五

a 用于比较蛋白质/RNA 数据以定义蛋白质-RNA 一致性的工作流程。

b, c 对数蛋白质-RNA比较的散点图2人(n = 10,781)和5xFAD小鼠(n = 8840)中的FC-Z。密度由颜色渐变表示。显示了皮尔逊相关性 (R) 值。

d z 分数改变的蛋白质群体中蛋白质-RNA 一致性的百分比。

e 人和小鼠之间 RNA 非依赖性蛋白质变化的重叠。

f LCM-MS的工作流程,用于比较斑块和非斑块区域的蛋白质组,定量5364种蛋白质。维恩图说明了人类和小鼠中 31 种共享的、不依赖 RNA 的上调蛋白质与富含斑块或非斑块区域的蛋白质的重叠。

g 火山图显示富集在斑块或非斑块区域的蛋白质。

见图

AD小鼠蛋白质组周转率的分析证实了人APP全长蛋白和Aβ肽的周转率明显不同。

图六

a 使用脉冲SILAC标记(~9个月大,5个数据点,3次重复,共30只小鼠),TMT-LC / LC-MS / MS(2批)和JUMPt程序对5xFAD和WT小鼠进行全蛋白质组周转分析。该分析涵盖了一组全面的 8492 种独特蛋白质。

b 示意图,说明了人和小鼠 APP 或 Aβ 区域中鉴定的 12 种肽。

c hAPP特异性肽(肽2)和hAβ替代肽(肽10)的PSM计数。报告每个批次的平均 PSM 值,±SD。

d 表观 T50值直接根据 hAPP 或 hAβ 特异性肽的周转曲线确定(平均值 ± SD,n = 2)。

e 游离赖斯氨基酸的曲线(平均值 ± SD,n = 2)。

f 校正后的 T50使用 JUMPt 程序根据蛋白质曲线和游离 Lys 曲线之间的距离计算值,该程序结合了数学模型来解释 Lys 回收引起的延迟(平均值 ± SD,n = 2)。g hAPP和hAβ T汇总表50值。校正后的 T50值远小于表观 T50值。

02

研究结论

总之,我们的研究提供了一个全面的多层蛋白质组学资源,分析了五种 AD 小鼠模型,并提供了对 AD 病理的蛋白质组学反应的见解。通过全蛋白质组分析,以及磷酸化蛋白质组、淀粉样蛋白组和周转数据,该资源支持淀粉样斑块创造促进蛋白质积累的微环境的假设。