UK Biobank：血浆蛋白组学与多模态脑影像揭示脑衰老动态变化及关键分子标志物

全球范围内，人口老龄化的加速使脑衰老相关的公共健康问题日益严重。据统计，到2050年，65岁及以上人口预计将超过15亿。脑衰老是神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）发生的主要诱因，其特征包括脑结构萎缩、神经功能衰退和认知能力下降。然而，这些退行性变化的分子机制尚未完全明晰。脑年龄差（Brain Age Gap, BAG），即预测脑年龄与实际年龄的差异，被广泛应用于量化脑健康状态。已有研究表明，BAG与多种神经精神疾病密切相关，包括阿尔茨海默病、抑郁症和中风。然而，目前的研究主要依赖影像学标志物，缺乏对血液分子标志物的系统性研究，这限制了脑衰老的早期诊断和干预潜力。

血浆蛋白组学为研究脑衰老提供了一种新的手段。血浆中的蛋白不仅反映了全身生理状态，还具有与脑部活动相关的指示作用。然而，血浆蛋白在脑衰老过程中如何动态变化，哪些蛋白可以作为脑健康的潜在标志物？？本研究通过整合大规模多模态脑成像数据和血浆蛋白组数据，解析脑衰老过程中蛋白动态变化的规律，识别关键的脑衰老标志物，并探索蛋白表达的非线性波动及其生物学意义，从而为脑健康管理和早期干预提供科学依据。

1. 脑年龄模型的构建：

• 最终选择864种脑影像特征，平均预测误差为2.76岁。

• 模型在女性中的表现（误差2.67岁）优于男性（误差2.87岁），表明可能存在性别差异。

2. BAG相关蛋白的识别：

• 13种蛋白显著与BAG相关，其中包括8种正相关（如GDF15、TIMP4）和5种负相关（如BCAN、KLK6）。

• BCAN和GDF15表现最显著（β=-0.838, P=2.63×10^-10；β=0.825, P=3.48×10^-11）。

3. 蛋白的功能与表达特征：

• 功能富集显示，正相关蛋白主要参与应激反应、代谢等过程，而负相关蛋白与细胞粘附、神经再生密切相关。

• 单细胞分析显示，BCAN在星形胶质细胞和少突胶质祖细胞中高度表达，提示其在神经塑性中的关键作用。

4. BAG蛋白与脑结构和疾病的关联：

• BCAN与47个皮层区域的体积和61个区域的表面积显著相关，特别是额叶和颞叶等易受脑衰老影响的区域。

• BCAN与降低全因痴呆（HR=0.613, P=4.11×10^-11）和中风（HR=0.716, P=1.01×10^-6）的风险显著相关。

5. 脑衰老蛋白的动态变化：

• 蛋白组变化呈现六种模式，其中倒U型模式的蛋白在50-60岁达到峰值，涉及细胞粘附和再生。

• 滑动窗口分析显示，脑年龄在57岁、70岁和78岁出现显著蛋白波动，分别对应代谢、神经发育及JAK-STAT信号通路。

• 使用1,705种脑影像表型（IDPs），基于LASSO回归模型，预测脑年龄的平均误差（MAE）为2.76岁，Pearson相关系数R=0.89。
• 分性别分析显示，模型在女性（MAE=2.67，R=0.89）中的表现优于男性（MAE=2.87，R=0.88）。
• 鉴定出13种显著与脑年龄差（BAG）相关的蛋白，其中8种为正相关（如GDF15：β=0.825，P=3.48×10^-11），5种为负相关（如BCAN：β=-0.838，P=2.63×10^-10）。
• 验证分析中，6种蛋白在独立数据集和不同实验条件下均显示出显著性，包括BCAN和GDF15。
• 在脑年龄为57岁、70岁和78岁时，蛋白组表现出显著的表达波动。57岁：代谢过程的调节。70岁：神经发育相关信号通路活跃。78岁：炎症和JAK-STAT信号通路显著上调。

2: 脑年龄模型预测性能与BAG相关蛋白的识别

1）脑年龄模型的预测性能

• 数据：基于1,705种脑影像表型（IDPs），选择了864种用于建模。

• 性能：模型平均预测误差为2.76岁（MAE=2.76），Pearson相关系数R=0.89，显示出高精度。

• 性别差异：女性表现优于男性（女性：MAE=2.67；男性：MAE=2.87）。

• 数据验证：测试集中，模型在不同年龄段均表现稳定，无明显偏差。

2）蛋白组学分析

• 筛选：在4,696名参与者中，通过Bonferroni校正（P<1.71×10^-5）识别13种显著与BAG相关的蛋白。

• 正相关蛋白：包括GDF15（β=0.825，P=3.48×10^-11）、TIMP4（β=0.712，P=5.74×10^-8）等，表明这些蛋白水平随脑年龄的增加而升高。

• 负相关蛋白：包括BCAN（β=-0.838，P=2.63×10^-10）、KLK6（β=-0.726，P=3.91×10^-9），提示其在脑衰老过程中可能参与神经保护。

3）验证分析

• 在重复影像数据中，6种蛋白在不同实验条件下均显示稳定的显著性，包括BCAN（P=3.21×10^-6）和GDF15（P=2.49×10^-7）。

4）功能富集分析

• 正相关蛋白参与代谢应激（如JAK-STAT信号通路，P=4.13×10^-4）。

• 负相关蛋白主要富集于细胞粘附和神经再生（如神经突起形成，P=7.82×10^-6）。

5）蛋白表达特征

• BCAN在星形胶质细胞和少突胶质祖细胞中高度表达，提示其在神经塑性中的重要作用。

• GDF15主要表达于成纤维细胞，与应激反应密切相关。

3: BAG相关蛋白与脑结构的关联。

1）皮层结构关联

• BCAN显著关联47个皮层区域的体积（如额叶，P=1.12×10^-6）及61个区域的表面积（如颞叶，P=8.74×10^-7）。

• KLK6与多个皮层区域的体积呈显著相关（如枕叶体积，P=5.23×10^-6）。

2）脑白质结构

• GFAP与白质纤维束（如左上纵束，FA：β=-0.151，P=0.038）显著相关。

• TIMP4与白质完整性相关（右后丘脑放射MD：β=0.129，P=0.047）。

3）皮层下体积

• BCAN显著关联12个皮层下区域的体积，包括海马（P=2.53×10^-4）和基底神经节（P=7.41×10^-5），提示其对认知功能有潜在影响。

4：BAG相关蛋白与脑功能和疾病的关联。

1）脑疾病风险

• BCAN与降低痴呆风险显著相关（全因痴呆HR=0.613，P=4.11×10^-11；阿尔茨海默病HR=0.625，P=5.26×10^-6）。

• GDF15显著增加多种神经疾病风险（如抑郁症HR=1.429，P=1.56×10^-20；中风HR=1.540，P=3.88×10^-23）。

2）脑功能

• GDF15与运动功能显著相关（如步行速度降低，β=-0.010，P=0.043）。

• BCAN主要影响认知功能（如数值记忆任务表现，P=2.76×10^-4）。

5. 脑衰老过程中蛋白的动态变化

1）轨迹分析

• LOESS回归显示427种蛋白的动态轨迹，分为线性增加、对数型、倒U型等6种模式。

2）聚类特征

• Cluster 4（倒U型）在50-60岁达到峰值，主要富集于细胞粘附和再生（如P=4.21×10^-5）。

• Cluster 3（对数型）在70岁附近达到峰值，与细胞凋亡相关（P=6.52×10^-6）。

6. 脑衰老关键时间节点的蛋白波动

1）峰值年龄的蛋白波动：

通过滑动窗口分析（DE-SWAN）和蛋白表达的动态回归，明确了脑年龄为57岁、70岁和78岁时，血浆蛋白组的显著波动。

• 57岁：在427种与BAG相关的蛋白中，有显著变化的蛋白数量达152种（q<0.05）。

• 70岁：变化蛋白数量为189种（q<0.05），显示更为复杂的蛋白网络特征。

• 78岁：变化蛋白数量为97种（q<0.05），提示蛋白变化的集中性逐步减弱。

2）各时间节点的生物功能分析

57岁：代谢和炎症反应主导

• 蛋白主要富集于代谢调节通路（如氧化代谢，P=5.43×10^-5）和炎症反应相关通路（如补体激活，P=8.12×10^-6）。

• 关键蛋白：包括GDF15、LGALS4（半乳糖凝集素4）和PLA2G15（磷脂酶A2组15）。

GDF15：一种代谢应激标志物，与胰岛素抵抗和能量稳态调节密切相关（β=0.312，P=4.87×10^-6）。

LGALS4：在免疫反应中发挥作用，与适应性免疫相关的显著性最高（P=3.71×10^-5）。

70岁：神经发育和细胞间信号

• 蛋白富集于神经发育（如神经元迁移，P=1.26×10^-4）和细胞间信号通路（如细胞间粘附分子，P=2.87×10^-6）。

• 关键蛋白：包括BCAN、KLK6（激肽释放酶6）和CHI3L1（几丁质酶3样蛋白1）。

BCAN：与突触重塑和神经可塑性显著相关（β=-0.423，P=2.63×10^-10）。

KLK6：一种神经保护性蛋白，与脑白质完整性密切相关（β=-0.217，P=6.54×10^-5）。

CHI3L1：在神经胶质细胞中表达显著增加，与脑组织再生和神经炎症调控相关。

78岁：炎症通路显著激活

• 该时间节点的蛋白变化主要富集于炎症反应通路（如JAK-STAT信号通路，P=3.58×10^-6）和免疫调节机制（如白细胞趋化因子信号，P=1.49×10^-5）。

• 关键蛋白：包括TIMP4（基质金属蛋白酶组织抑制剂4）、GDF15和GFAP（胶质纤维酸性蛋白）。

TIMP4：一种参与细胞外基质重塑的蛋白，与脑血管病变和神经炎症相关（β=0.274，P=7.32×10^-6）。

GFAP：胶质细胞标志物，与白质病变（FA β=-0.151，P=0.038）和脑衰老风险显著相关。

• 鉴定出13种与脑年龄差（BAG）显著相关的蛋白，包括BCAN（β=-0.838，P=2.63×10^-10）和GDF15（β=0.825，P=3.48×10^-11），它们在脑衰老机制中起关键作用。

• 蛋白功能解析显示，BCAN参与突触可塑性和神经再生，GDF15主要参与代谢应激和炎症反应。

• 关键蛋白与脑结构显著相关，BCAN与47个皮层区域的体积和61个皮层表面积显著关联，尤其在额叶和颞叶区域表现突出。

• 关键蛋白与脑功能和疾病密切相关，BCAN降低全因痴呆风险（HR=0.613，P=4.11×10^-11），GDF15显著增加中风风险（HR=1.540，P=3.88×10^-23）。

• 脑衰老过程中蛋白动态波动呈现关键时间节点，在57岁、70岁和78岁分别表现出代谢、神经发育及炎症相关的显著变化。

• 动态蛋白波动揭示脑衰老具有阶段性特点，为早期干预和脑健康管理提供潜在靶点和时间窗口。