【EMBO Molecular Medicine】SCALLOP重磅 | Olink蛋白组学助力渐冻症等疾病药物靶点新发现
研究背景
肌萎缩侧索硬化症(Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)俗称渐冻症,作为一种神经退行性罕见疾病,因京东副总裁蔡磊的确诊受到了更加广泛的关注[1]。ALS的致病机制像“百慕大三角”般充满未知,寻找ALS的有效治疗方法也困难重重。
BioFINDER(Biomarkers For Identifying Neurodegenerative Disorders Early and Reliably)是瑞典科学家团队针对痴呆症和帕金森病机制研究与早期标志物发现的战略性项目。目前,该项目已招募了1,600多名有轻度认知症状,痴呆症和帕金森病的患者及认知正常的健康老年人,对志愿者进行了纵向神经学,精神病学和认知评估,并收集了脑脊液和血液样本[2]。SCALLOP联盟2018年由辉瑞牵头,其目标是利用Olink高特异性蛋白质数据,结合基因组数据与因果推断算法,采用孟德尔随机化发现潜在的药物蛋白靶点和临床生物标志物[3]。
基于一致的研究目标,BioFINDER的科学家们第一时间加入了SCALLOP联盟,并于2023年1月在欧洲分子生物学组织(EMBO)旗下的顶级期刊《EMBO Molecular Medicine》(1区,IF=14.26)上正式发表了其重磅研究成果[4]。其中包括阿尔兹海默症,帕金森病和蔡磊几年来苦苦攻关的ALS潜在药靶。
通过SCALLOP联盟先前的研究结果(点击蓝色字查看)可以得知,通过pQTL(蛋白数量性状位点)鉴定发现,可测试蛋白质是否可能是疾病发展的原因,并考察其作为候选药物靶点的潜力。对于神经系统疾病,脑脊液蛋白pQTL研究与血浆研究相比更容易确定疾病途径和潜在药物靶点。
研究队列中1,591名参与者脑脊液样本中的398种蛋白质检测结果结合基因组数据,研究者确定了176个显著(经Bonferroni校正)的pQTL,它们与CSF蛋白水平的改变相关。在孟德尔随机化实验中,利用脑部疾病相关的遗传风险数据,科学家们发现了与几种疾病(包括阿尔茨海默症,帕金森病和ALS等)具有共同遗传效应的蛋白质,并确定了脑室容积是CSF pQTL研究的一个可能的混杂因素。
实验技术与流程
研究结果
将同一受试者的血浆pQTL与脑脊液pQTL结果进行比较时,发现脑脊液结果可支持在中枢神经系统中具有不同于外周神经系统的独特遗传性蛋白。而PEA技术的高特异性也有助于研究发现pQTL和潜在药物靶点的进一步临床转化。如下图所示,每个点代表脑脊液中蛋白的一个重要pQTL,气泡的大小与效应的β系数成正比,绿色气泡为顺式Cis-pQTL,红色气泡为反式Trans-pQTL。
实验结果经过了多轮验证。为了进一步了解遗传变异影响脑脊液蛋白水平的机制,联盟科学家还研究了pQTLs对mRNA基因表达的影响。与eQTL荟萃分析研究相比,本研究中鉴定的53个Cis-pQTL显示了与脑组织基因表达相关的先前证据(具体验证细节可在此不做详述,可通过原论文获取)。
在拿到严谨可信的数据后,为了检验pQTL与脑相关疾病间共享遗传效应的证据,科学家们进行了孟德尔随机化和遗传共定位分析的结合。对于孟德尔随机化,基于独立的Cis-pQTL仪器对每个蛋白质进行Wald比率(WR)测试(下表),WR决定了通过检测pQTL的风险等位基因解释的蛋白质水平每SD变化的疾病风险变化。因此,WR为正表明基因预测的蛋白表达增加与疾病风险相关,而WR为负则表明蛋白表达减少与疾病风险相关。有18对pQTL-蛋白对具有强有力的WR证据,它们在13种不同的结果中共享遗传效应。
Cis-pQTL的孟德尔随机化实验
在孟德尔随机化实验中,也利用了与脑部疾病相关的遗传风险数据,联盟科学家发现了与多种神经系统疾病(包括阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症,抑郁症,双向障碍,精神分裂,癫痫等)具有共同遗传效应的蛋白质。通过查询知名药物研发信息数据库,Cortellis Integrity数据库中MR分析中鉴定的Cis-pQTL蛋白,发现候选药物可用于APOE、CD33、GRN、CD38、ADAM15和CTSS,并且, 通过本次研究发现的ALS的潜在靶点,目前并没有药厂进行开发, 有望为包括蔡磊在内的ALS患者提供新的诊疗思路。研究也发现了例如帕金森作用靶点CD38的已有上市药物,这也可能是一个很好的扩展适应症的机会。当然,契合BioFINDER的初心,为阿尔兹海默,帕金森等神经系统疾病发现很多新的潜在的靶点,可以进行下游的研究和开发。
写在最后
脑脊液蛋白组检测与全面遗传调控概述结合敏感性和特异性分析,将有助于研究人员更好地理解脑脊液蛋白质在健康和疾病中的独特调节功能。已确定的与脑部疾病具有共同遗传效应的关键蛋白质可以作为神经系统疾病治疗的潜在靶点。
随着蛋白质组学研究工具日新月异,如UKB-PPP中所使用的Explore 3072[5] 和下一代产品Olink Explore HT的不断扩大和发展,相信脑脊液蛋白质组也将收获更丰富的研究成果,并发现更多新的诊疗生物标志物,推动神经系统疾病研究更重要的新进展,最终为相关疾病的患者带来更好的诊断和治疗手段,使蔡磊等更多备受此苦的患者都能得更精准的治疗。
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1.https://new.qq.com/rain/a/20211029A04B1Z00
2.https://biofinder.se/background_and_aims/
3.https://olink.com/our-community/scallop/
4. Hansson O, et al.The genetic regulation of protein expression in cerebrospinal fluid. EMBO Mol Med. 2023 Jan 11;15(1):e16359.
5. Sun, B.B., et al. Plasma proteomic associations with genetics and health in the UK Biobank. Nature 622, 329–338 (2023).
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