帕金森病脑区特异性脂质失调与线粒体功能障碍的多组学关联分析

《Nature Communications》：Multi-omic analysis reveals lipid dysregulation associated with mitochondrial dysfunction in parkinson’s disease brain

　　本研究针对帕金森病（PD）脑区特异性脂质变化机制不清的问题，通过高精度解剖的八个人脑区域靶向脂质组学分析，结合蛋白质组学数据，揭示了PD不同阶段（Braak 3-4期中阶段与Braak 5-6期晚阶段）脂质代谢的时空动态变化。研究发现皮质区神经节苷脂升高而磷脂降低，壳核区极长链神经酰胺减少且与线粒体复合体I活性相关，提示脂质失调与线粒体功能障碍协同驱动PD进展。该研究为理解PD病理机制提供了新的分子视角。

　　

当我们谈论帕金森病时，我们往往会想到颤抖、僵硬和运动迟缓这些典型症状。但在这背后，大脑正经历着一场复杂的分子风暴。作为仅次于阿尔茨海默病的第二大神经退行性疾病，帕金森病全球影响着超过610万患者，其中1-2%的65岁以上老年人深受其影响。尽管科学家们已经对遗传和蛋白质变化有了相当深入的了解，但大脑中脂质的变化却一直是个未被充分探索的领域。

这尤其令人惊讶，因为大脑干重的60-70%都是由脂质构成。脂质不仅是细胞膜的构建块，还参与信号传导、膜流动性调节等关键细胞功能。特别是鞘脂类物质，在神经系统中高度富集，其中葡萄糖神经酰胺（glucosylceramide）等糖鞘脂的降解通路与帕金森病密切相关——GBA1基因突变是帕金森病最常见的遗传风险因素。然而，关于正常衰老和帕金森病过程中，不同脑区脂质如何变化的全景图仍然模糊不清。

为了解决这一知识空白，由Jenny Hallqvist和Wendy E. Heywood领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究。他们通过对死后人脑组织进行精确解剖，分析了八个解剖学上 distinct 的脑区，包括基底神经节（壳核和尾状核）、边缘系统（海马旁回和扣带回）、大脑皮层（颞叶、额叶和顶叶皮层）以及小脑。研究纳对照组、中阶段帕金森病（Braak 3-4期）和晚阶段帕金森病（Braak 5-6期）的样本，采用靶向脂质组学方法定量分析了146种脂质物种，涵盖神经酰胺、神经节苷脂、磷脂等11大类脂质。研究还整合了蛋白质组学数据，并测量了线粒体复合体活性，从而提供了帕金森病脂质失调的多组学视角。

关键技术方法包括：从多个国际脑库获取的225例死后脑组织样本；基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的靶向脂质分析，使用三种不同色谱柱（HILIC、Amide、C8）实现最佳分离；多反应监测（MRM）模式确保检测特异性；统一流形近似与投影（UMAP）和层次聚类等多元统计分析；线性混合模型评估脂质与线粒体复合体活性的关联。

脂质丰度在解剖区域间存在差异并在健康大脑中受年龄调节

研究人员首先在对照组大脑中建立了基线脂质谱，发现不同脑区具有独特的脂质特征。神经酰胺是区域间变化最小的脂质类别（变异系数15%），而溶血磷脂酰乙醇胺（lyso-PE）和n-己糖神经酰胺（HexCer）变化最大（变异系数分别为82%和52%）。层次聚类分析形成了三个区域簇：（i）额叶皮层、尾状核和海马旁回；（ii）小脑、扣带回皮层和壳核；（iii）顶叶和颞叶皮层。大脑皮层富含磷脂和乙醇胺缩醛磷脂（plasmalogen PE），而内部脑区则含有更多神经节苷脂和溶血型己糖神经鞘氨醇（lyso-HexSph）。小脑则普遍富含溶血脂质。

年龄对脑脂质谱也有显著影响，n-己糖神经酰胺在所有脑区（除扣带回和额叶皮层外）均随年龄增长而增加。壳核和颞叶皮层是受年龄相关脂质变化影响最显著的区域。

神经酰胺、鞘磷脂和神经节苷脂水平驱动全球PD脑脂质谱变化

主成分分析（PCA）显示，帕金森病和对照组样本明显分离。帕金森病组神经节苷脂（GM1、GM2、GM3）升高，同时长链和多不饱和磷脂也增加。正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）模型进一步证实，帕金森病中C16和C18神经酰胺升高，而极长链神经酰胺（C20及以上）降低。鞘磷脂（sphingomyelin）和溶血鞘磷脂（lyso-sphingomyelin）在帕金森病中升高，而溶血磷脂酰乙醇胺降低，溶血磷脂酰胆碱（lyso-PC）升高。

区域脂质改变反映帕金森病的神经解剖学差异

区域特异性分析显示，脑区形成两个主要簇：一个包括海马旁回、扣带回、颞叶、额叶和顶叶皮层；另一个包括壳核、尾状核和小脑。皮层簇中神经节苷脂、HexCer和Hex2Cer升高，而大多数磷脂降低。基底神经节和小脑簇中，磷脂（特别是PC和lyso-PC）升高，而糖鞘脂降低。顶叶皮层是脂质变化最多的区域（占总变化脂质的58%），其次是尾状核（25%）和壳核（13%）。

区域特异性脂质改变与帕金森病疾病进展一致

按Braak分期分析显示，壳核在中阶段帕金森病就出现广泛脂质改变，表现为极长链脂肪酸神经酰胺和HexCer物种减少，而短链C18神经酰胺升高。额叶皮层的脂质差异仅限于晚阶段帕金森病，表现为神经酰胺、神经节苷脂、己糖神经酰胺和二己糖神经酰胺升高。小脑变化有限。晚阶段帕金森病的特点是溶血磷脂、神经酰胺、神经节苷脂和多不饱和二酰基磷脂升高。值得注意的是，溶血磷脂酰胆碱（lyso-PC）在整个帕金森病进展过程中持续增加，而缩醛磷脂PE在壳核中于中阶段减少，到晚阶段恢复正常。

多组学分析显示壳核中鞘磷脂水平与帕金森病相关蛋白相关

Spearman相关分析发现，三种鞘磷脂与多种蛋白质丰度显著相关——与14种蛋白正相关，与29种蛋白负相关。KEGG通路富集分析显示"帕金森病"是最显著富集的通路，基因本体（GO）分析表明与线粒体能量代谢相关的生物过程富集。

壳核中的脂质与线粒体复合体I活性显著相关

线性混合模型分析显示，缩醛磷脂PE、溶血磷脂酰胆碱（lyso-PC）、神经酰胺、HexCer和HexSph中的多种脂质与线粒体复合体I/柠檬酸合酶（CS）水平存在显著交互作用。仅发现一种脂质（神经酰胺C22:6）与复合体II-III/CS水平相关，没有脂质与复合体IV显著相关。

研究结论与意义

这项研究全面评估了帕金森病人脑中的脂质变化，强调了区域差异和疾病进展相关变化。研究发现的关键脂质改变包括：壳核中极长链神经酰胺（>C20）减少，提示早期脂质失调；溶血磷脂酰胆碱（lyso-PC）在整个疾病进程中持续增加；额叶皮层中神经节苷脂和n-己糖神经酰胺升高，可能代表神经保护反应；以及鞘磷脂物种（C34和C36）水平升高，与蛋白质组学变化相关。

特别值得注意的是，神经酰胺亚型表现出链长特异性变化：长链神经酰胺（C16-C18）在帕金森病中升高，而极长链神经酰胺（C20及以上）在壳核中降低。这种差异可能与不同的神经酰胺稳态通路有关——长链神经酰胺与神经节苷脂聚类，而极长链神经酰胺与缩醛磷脂聚类。C18神经酰胺已被证明可通过锚定LC3B II自噬溶酶体到线粒体膜来诱导线粒体自噬（mitophagy），这可能是散发性帕金森病中替代PINK1相关线粒体自噬的机制。

多组学分析揭示了脂质与线粒体功能障碍之间的密切联系：>C20链神经酰胺、C18 HexCer、C16-18缩醛磷脂和lyso-PC均与复合体I活性相关。缩醛磷脂作为活性氧的清道夫，其在帕金森病脑组织中的增加可能是对复合体I产生的活性氧的反应。Lyso-PC由磷脂酶A2产生，该酶在帕金森病患者血清中活性增加，可能通过影响线粒体功能或α-突触核蛋白聚集而参与疾病进程。

这些发现强调了脂质代谢在帕金森病病理中的重要作用，为理解疾病进展提供了新的分子见解。区域特异性和疾病阶段特异性的脂质变化模式不仅反映了大脑的结构和功能组织，也提示了潜在的神经保护或适应机制。未来研究应探索这些脂质变化如何与蛋白质网络和代谢通路相互作用，为开发新的治疗策略铺平道路。