多组学整合分析揭示SERPINB1作为脊髓小脑共济失调2型新型生物标志物的潜力

《Scientific Reports》：Multiomics approach identifies SERPINB1 as candidate biomarker for spinocerebellar ataxia type 2

　　本研究针对脊髓小脑共济失调2型(SCA2)缺乏可靠分子标志物的难题，通过整合转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组多组学数据，发现丝氨酸蛋白酶抑制剂SERPINB1在SCA2小鼠模型神经系统和患者血浆中均呈现进行性下调，且与CAG重复序列长度、发病年龄等疾病严重程度指标显著相关，为SCA2病程监测和治疗评估提供了新型候选生物标志物。

　　

在神经退行性疾病研究领域，脊髓小脑共济失调2型(SCA2)作为一种由ATXN2基因CAG重复序列异常扩展引起的常染色体显性遗传病，长期以来缺乏可靠的分子标志物来监测疾病进展和评估治疗效果。患者通常表现为进行性加重的共济失调、构音障碍和眼动异常，严重影响生活质量。尽管科学家已经认识到ATXN2基因编码的Ataxin-2蛋白在RNA加工、应激颗粒形成和翻译调控中发挥关键作用，但其具体致病机制仍不完全清楚，且目前尚无有效治疗方法。

面对这一挑战，由Luis E. Almaguer-Mederos领衔的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。研究人员采用创新的多组学整合策略，通过对SCA2小鼠模型不同病程阶段的神经系统组织进行系统性分析，成功鉴定出丝氨酸蛋白酶抑制剂SERPINB1作为潜在的SCA2疾病进展生物标志物。

研究团队运用了多项关键技术方法：利用Atxn2-CAG100基因敲入(KIN)小鼠模型模拟SCA2疾病进程；通过转录组测序分析小脑和脊髓组织的基因表达谱；采用蛋白质组学和磷酸化蛋白质组学技术检测蛋白质表达和修饰变化；使用定量PCR和蛋白质印迹进行分子验证；建立酶联免疫吸附测定(ELISA)方法检测82例古巴SCA2患者队列的血浆样本。

转录组分析揭示翻译相关因子早期上调

研究人员首先分析了与Ataxin-2功能密切相关的多个分子通路。在翻译相关因子中，发现多个核糖体蛋白假基因和真核翻译起始因子在疾病早期即出现上调，这与Ataxin-2作为翻译调节因子的功能丧失相呼应。特别值得注意的是，真核翻译起始因子2α激酶2(Eif2ak2)在脊髓中的进行性诱导，可能反映了由扩展CAG重复序列形成的双链RNA结构触发的细胞先天免疫反应。

应激颗粒和RNA加工转录本早期显著失调

鉴于Ataxin-2在RNA加工和应激颗粒中的关键作用，研究团队进一步分析了这些通路中的因子变化。结果显示，在终末期脊髓组织中RNA加工因子的诱导尤为突出，但未能鉴定出一致的生物标志物。

自噬-溶酶体通路相关转录本诱导

研究人员发现，与多聚谷氨酰胺扩展Ataxin-2的降解相关的自噬-溶酶体通路中，组织蛋白酶S、Z和L的编码转录本显著上调。验证实验证实了这些组织蛋白酶在终末期KIN小鼠小脑和脊髓中的主要上调。

Klk6早期显著下调

除了组织蛋白酶，研究人员还发现 kallikrein相关丝氨酸蛋白酶家族的Klk6转录本在疾病早期即出现进行性下调。验证研究在转录和蛋白水平均证实了Klk6在KIN小鼠小脑和脊髓中的显著减少，支持其作为SCA2进展生物标志物的潜力。

多组学数据鉴定共同失调因子

通过整合转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组数据，研究人员发现只有Serpinb1a转录本、SERPINB1A蛋白及其磷酸肽在终末期KIN小鼠的所有组学数据集中一致下调。STRING分析显示，在至少三个数据集中共同下调的26个因子在"突触"等功能中显著富集。

丝氨酸蛋白酶抑制剂超家族成员显著失调

SERPINB1A属于靶向组织蛋白酶和kallikrein相关肽酶的丝氨酸蛋白酶抑制剂超家族。详细检查发现，除了Serpinb1a外，多个serpin家族成员在KIN小鼠的小脑和脊髓转录组中呈现显著失调。这些表达结果提示组织蛋白酶的诱导和serpin的抑制同时发生，可能反映了细胞为促进多聚谷氨酰胺扩展Ataxin-2聚集体的有效降解而做出的补偿性努力。

SERPINB1A蛋白和Serpinb1a转录本一致下调

验证实验证实了Serpinb1a转录本和SERPINB1A蛋白在10周龄(症状前)、6月龄(早期共济失调)和14月龄(晚期共济失调)KIN小鼠小脑和脊髓中的进行性减少。在症状前、早期和晚期共济失调阶段，小脑中SERPINB1A蛋白丰度分别降低至58.2%、57.2%和29.7%，转录水平相应为66.9%、34.5%和25.8%。

SCA2患者血浆SERPINB1水平降低且与严重程度相关

在58例SCA2患者和匹配健康对照的血浆样本中，发现SCA2患者的SERPINB1血浆水平显著降低17.88%。相关性分析显示，SERPINB1血浆水平与扩展ATXN2等位基因的CAG重复长度、发病年龄和INAS计数显著相关。线性回归分析表明，除了CAG扩展效应外，发病年龄中2.6%的总变异可能归因于SERPINB1血浆水平的变化。

研究结论和讨论部分强调了SERPINB1作为SCA2新型候选进展生物标志物的重要性。尽管SERPINB1在生理条件下主要在外周免疫细胞而非神经系统中表达，但其在SCA2中的下调不太可能响应ATXN2多聚谷氨酰胺扩展的外周效应，而更可能反映了跨区室机制。研究人员推测，小脑和脊髓中SERPINB1的进行性减少可能表明蛋白质稳态失调状态，伴随小胶质细胞中吞噬作用和溶酶体通路的去抑制，这是对神经元来源的多聚谷氨酰胺扩展Ataxin-2聚集体的先天免疫反应的一部分。

该研究的创新性在于首次通过多组学整合分析将SERPINB1与SCA2病理机制联系起来，并提供了从动物模型到患者样本的多层次验证证据。然而，研究也存在一定局限性，如小鼠模型不能完全概括人类疾病过程，患者数据主要来自早期疾病阶段且样本量有限，需要未来在更大规模、更多样化的SCA2人群中进行纵向验证。

总体而言，这项研究为SCA2的生物标志物开发提供了新方向，SERPINB1的进行性下调模式及其与疾病严重程度的相关性表明它可能成为评估疾病进展和治疗效果的有用工具。未来的研究需要进一步阐明ATXN2多聚谷氨酰胺扩展导致特定SERPINB1亚型下调的机制，以及这种下调在SCA2病理生理中的确切功能意义。