DNA 甲基化模式在多系统萎缩、帕金森病和进行性核上性麻痹额叶白质中的跨比较研究

学术背景介绍

多系统萎缩（Multiple System Atrophy, MSA）是一种罕见的神经退行性疾病，其特征是神经元丧失和神经胶质增生，伴随着富含α-突触核蛋白的少突胶质细胞胞质包涵体（glial cytoplasmic inclusions, GCIs）。MSA 的临床表现与其他帕金森综合症，如帕金森病（Parkinson’s Disease, PD）、路易小体痴呆（Dementia with Lewy Bodies, DLB）和进行性核上性麻痹（Progressive Supranuclear Palsy, PSP）有很多重叠，导致早期诊断面临挑战。尽管这些疾病在晚期表现出一些共同的神经病理学特征，每种疾病仍然有其独特的病理标志。例如，MSA和PD都是突触核蛋白病，但MSA的特征是少突胶质细胞中含有α-突触核蛋白的胞质包涵体，而PD则主要在神经元中观察到α-突触核蛋白聚集，称为路易小体。而PSP是一种4R Tau病，其特征是神经胶质增生以及由Tau蛋白聚集的捆绑体、神经元缠结和盘绕体。研究传统上集中在灰质的变化上，但白质的病理研究也提出了新的证据。

DNA甲基化是表观遗传调控过程中非常著名的一种机制，研究人员已发现几种神经退行性疾病中存在DNA甲基化的变化。然而，涉及MSA、PD和PSP等多种帕金森式疾病白质DNA甲基化模式的研究尚属首次。这项研究通过对MSA、PD和PSP病人额叶白质进行全基因组范围内的DNA甲基化分析，目的是寻找这些疾病中共同和特异的DNA甲基化改变。

文章的来源

这篇题为“DNA methylation patterns in the frontal lobe white matter of multiple system atrophy, Parkinson’s disease, and progressive supranuclear palsy: a cross-comparative investigation”的研究论文由Megha Murthy, Katherine Fodder, Yasuo Miki等人在不同研究机构合作完成。具体包括：UCL Queen Square Institute of Neurology（英国）、Hirosaki University Graduate School of Medicine（日本）、Oslo University Hospital（挪威）和University of Exeter（英国）。论文发表于2024年《Acta Neuropathologica》，接收时间为2024年7月4日。

研究流程

1. 研究对象和样本来源：研究对象包括诊断为MSA、PD和PSP的病人及健康对照组，共计66例。样本来源于UCL Queen Square Institute of Neurology Queen Square Brain Bank，所有脑组织样本均经过伦理委员会批准。

   • MSA病人：17例
   • PD病人：17例
   • PSP病人：16例
   • 健康对照组：15例

2. DNA提取与甲基化分析：从新鲜冷冻的额叶（Brodmann区9）中提取大约100微克的白质组织，并使用酚-氯仿-异戊醇法提取基因组DNA。然后，使用EZ DNA甲基化试剂盒（Zymo Research）进行亚硫酸氢盐转换，基因组范围的DNA甲基化使用Infinium HumanMethylationEPIC Bead Chip（Illumina)进行分析。

3. 数据处理与质量控制：将所生成的原始强度文件导入R软件，利用Bioconductor包（如Minfi、CHAMP和Watermelon）进行详细和严格的预处理和质量控制。

4. 细胞类型分解：利用Minfi包中的细胞类型分解算法，通过估算神经元（NeuN+）、少突胶质细胞（SOX10+）和其他神经胶质细胞类型（Double-）的相对比例，评估不同样本中细胞类型的构成。

5. 差异DNA甲基化分析：使用线性回归模型（Limma包）检测MSA、PD和PSP相对于健康对照组以及疾病间的差异甲基化位点。

6. 加权基因共甲基化网络分析（WGCNA）：使用WGCNA方法构建共甲基化网络，以识别与疾病相关的模块（模块中高度相关的甲基化位点簇）。

主要研究结果和讨论

甲基化分析和共享的DNA甲基化模式

研究发现，MSA、PD和PSP的额叶白质中存在显著的DNA甲基化共同点，特别是在DNA甲基化位点亚组之间显示出相似的方向效应。具体而言，研究识别出多个与神经胶质细胞和脱髓鞘相关的基因，如EtNK1、Fam8A1和DFNA5的共有差异甲基化。这表明，这些基因可能在所有三种帕金森式疾病的共同病理进程中发挥作用。

专门的DNA甲基化变化和特异模块

尽管三种疾病在整体上显示出显著的共同点，但研究也识别出了一些特定于某种疾病的DNA甲基化变化。例如，MSA患者中Bcl7b的启动子区域显示出低甲基化，而PD患者中UBE2f显示高甲基化，PSP患者中D2HGDH显示的高甲基化。在细胞类型富集分析中，研究发现一些模块主要与少突胶质细胞有关，并显示与RNA干扰、信号转导、内质网应激和线粒体过程相关的功能富集，这些都与神经变性过程有关。

共甲基化网络分析和模块保存性

通过WGCNA方法，研究识别出32个共甲基化模块，其中15个模块与至少一种疾病状态显著相关。进一步的功能富集分析显示，这些模块富含与神经退行性疾病相关的分子机制。在对额叶白质外其他大脑区域和组织类型的分析也显示，许多与疾病相关的模块在其他数据集中表现出中到高的保存性，这进一步验证了这些模块在神经退行性疾病中的重要性。

临床和病理特性关联

研究还探讨了关键差异甲基化位点与疾病特征如MSA中的GCI数量、发病年龄和疾病持续时间之间的关联。例如，低甲基化的cg15274294位点与MSA患者额叶中的GCI数量呈负相关，这表明该位点的甲基化状态可能与不同疾病进程中的病理变化相关。

研究的意义和价值

这项研究首次系统地比较了MSA、PD和PSP的额叶白质DNA甲基化模式，提供了重要的见解。研究揭示，这三种帕金森式疾病在额叶白质中有许多共同的DNA甲基化特征，这表明这些疾病可能共享相似的病理机制和分子途径。此外，研究确定的特异性甲基化变化基因位点可作为未来疾病早期诊断和治疗干预的新靶点。这些发现不仅有助于我们更全面地理解神经退行性疾病的分子机制，也为将来的多组学综合研究和临床应用提供了重要的基础。