血液中的体细胞CAG重复扩增与亨廷顿氏病神经退行性变的生物标志物有关，且发生早于临床运动诊断数十年
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2025-02-06 17:00
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亨廷顿氏病（HD）是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，临床表现为不自主舞蹈样运动、神经精神症状、认知功能下降三大特征。既往研究认为特征性症状的发病年龄受遗传性HTT CAG长度的影响较大，然而CAG长度仅能解释患者症状起病年龄的40-60 %的变异，仍存在其他因素影响患者的起病年龄。体细胞CAG扩增发生在人的一生中，了解体细胞扩增对神经退行性变的影响是开发治疗靶点的关键。近日，一篇发表在Nature Medicine上的文章展示HD-YAS队列的4.5年随访数据，该队列是一项针对0期和1期HD基因携带者（HDGE）年轻成人的深度表型纵向研究。通过对临床前HD表型、神经变性生物标志物和血液DNA中体细胞扩增的详细纵向分析对大脑中体细胞扩增的影响可能早在临床运动发病前就可被检测到这一假设进行了验证。确定在临床运动诊断和疾病进展的生物标记物发生数年之前，神经病理变化与血液DNA中体细胞CAG扩增和HTT重复结构有所关联，为未来预防试验奠定基础。![]()
该研究共纳入131例受试者，包括64例HDGE与67例HC健康对照，共随访4.5年。对受试者进行全面的临床症状、认知功能与精神神经症状量表评估、影像学检测、脑脊液与血液的生物标志物分析以及外周血白细胞CAG不稳定性扩增指数的计算，并与临床表型进行关联分析。![]()
1）：基线时，共招募131例受试者，包括64例HDGE与67例HC健康对照。HDGE组中，44例受试者处于HD-ISS分级中stage-0，9例为stage-1，1例为stage-2（图1a）,4.5年后stage-0的患者向stage-1进展，未向stage-2进展。HD-YAS队列内分期的过渡是通过将平均CAG重复长度为42的个体的每个HD-ISS阶段覆盖概率矩阵，与该队列的平均CAG重复长度相当（图1b）。综合认知功能（FDR> 0.8;图1C）或神经精神症状（FDR> 0.3;图1D）评估均无明显与纵向疾病相关的下降，这表明HDG组的变化与匹配的对照组无明显差异。2）：影像学显示HDGE组的壳核（P = 4.0 × 10-10，FDR = 1.2 × 10-9）和尾状体（P = 1.1 × 10-10，FDR = 5.5 × 10-10）的萎缩率明显高于HDGE组。灰质（P = 7.5 × 10-3，FDR = 9.4 × 10-3）、白质（P = 1.4 × 10-2，FDR = 1.4 × 10-2）和全脑（P = 7.1 × 10-4，FDR = 1.2 × 10-3）也存在明显的组间差异，并伴有脑室扩张（P = 3.9 × 10-5，FDR = 9.8 × 10-5；图 2）。尾状核、丘脑和白质的缺失明显受年龄和 CAG 的影响（分别为 P = 2.1 × 10-7，FDR = 1.0 × 10-6；P = 1.5 × I0-8，FDR = 8.9 × 10-8；P = 0.01，FDR = 0.012）。DWI 显示，与对照组相比，HDGE 组多个相关区域的所有弥散和神经元定向及弥散密度成像指标的纵向变化率均有所升高（FDR < 0.15）。胼胝体脾、前囊和外囊显示出与年龄和 CAG 的相关性（FDR < 0.15）。任何结构连接性（所有 FDR > 0.4）或 MPM 测量（所有 FDR > 0.3）的变化率在组间均无明显差异，也无证据表明年龄和 CAG 会产生影响（所有 FDR > 0.15）。3）：在 4.5 年的基线和随访期间，共收集了216份生物体液样本。在103名（83.5%）纵向参与者中，有86名（53名HDGE患者和33名对照组患者）获得了配对的空腹 CSF 和血浆样本。与对照组相比，HDGE患者的CSF NfL（图3a）和CSF YKL-40（又称几丁质酶-3样蛋白-1 (CHI3L1)）（图3c）从明显增加的基线迅速上升（分别为P = 3.2 × 10-13, FDR = 3.2 × 10-12 和P = 0.01, FDR = 0.056）。与对照组相比，在CSF中测量的纹状体MSN状态的替代标记物原脑啡肽（PENK）在 HDGE 患者中出现了显著的纵向减少（P = 4.4 × 10-4，FDR = 2.6 × 10-3；图 3b）。血浆NfF的增加并不显著（P = 0.336，FDR = 0.669）。横断面上，CSF NfL（P = 5.4 × 10-30，FDR = 6.5 × 10-29）和 PENK（P = 1.7 × 10-7，FDR = 1.0 × 10-6）的对数浓度与年龄、CAG 长度及其交互作用高度相关。还有证据表明，CSF NfL（P = 0.027，FDR = 0.322）和 PENK（P = 0.0547，FDR = 0.328）的纵向变化受到影响。血浆 NfL 与年龄和 CAG 有类似的横断面关联（P = 7.2 × 10-7，FDR = 2.9 × 10-6），但没有显著的纵向关联。4）血液中的体细胞不稳定性：在 HDGE 组4.5年的血液DNA中检测到体细胞扩增比（SER）显著纵向增加（P = 2.0 × 10-8），SER 早在 HD-ISS 0 期就明显增加（图 4a）。SER 的变化率受到 CAG 重复长度加速效应的强烈影响（P = 3.0 × 10-5）。5）HTT 等位基因结构：大多数HDGE组的扩增等位基因表现出典型的HTT重复结构（n = 66，91.6%），而一小部分（n = 6）表现出非典型等位基因变异（图 5a）。具体来说，有 1 人（1.4%）出现了CAACAG重复，4人（5.6%）出现了CAACAGCCGCCA双丢失，1人（1.4%）出现了CCGCCA丢失。血浆和脑脊液的基线 NfL以及脑脊液PENK是所有脑区脑萎缩的预测因素（所有FDR均小于0.04），校正年龄和 CAG的影响后也是如此（所有 FDR 均小于 0.12）。尾状体和壳核的变化率与CSF NfL（分别为 P = 3.0 × 10-4，FDR = 0.003 和 P = 2.2 × 10-4，FDR = 0.003）和血浆 NfL（分别为 P = 0.002，FDR = 0.01 和 P = 0.03，FDR = 0.06）的变化关系最为密切，在控制了年龄和 CAG 的影响后，这种关系仍然存在（所有 FDR 均 < 0.09）。在年龄-CAG 校正之前（P = 2.0 × 10-4，FDR = 0.003 和 P = 1.0 × 10-4，FDR = 0.001）和之后（P = 0.002，FDR = 0.021 和 P = 9.0 × 10-4，FDR = 0.011），尾状体和壳核的变化率也与 CSF PENK的纵向变化相关。在按年龄-CAG校正之前（P = 0.01，FDR = 0.04）和之后（P = 0.03，FDR = 0.07；图 4b），SER的纵向增加可显著预测随后尾状体体积的变化率。在年龄-CAG 校正前（P = 0.02，FDR = 0.07）和年龄-CAG 校正后（P = 0.049，FDR = 0.148），SER的纵向增加也可显著预测随后的壳核体积变化率（图 4c）。在按年龄-CAG 校正之前，基线SER与CSF NfL（P = 2.5 × 10-12，FDR = 2.9 × 10-11；图 4d）和 CSF PENK（P = 8.4 × 10-5，FDR = 3.4 × 10-4；图 4e）的横断面水平密切相关。然而，校正后这些关联并不显著（CSF NfL-P = 0.827，FDR = 0.956；CSF PENK-P = 0.908，FDR = 0.956）。在控制CAG、年龄、不同年龄-CAG、性别和SER的影响后，与典型等位基因结构相比，CAACAG CCGCCA 非典型等位基因的缺失对尾状体（P = 1.90 × 10-5；图 5b.i）和柱状体（P = 0.007；图 5b.ii）萎缩率以及横截面 CSF NfL（P = 0.002；图 5b.iii）和 CSF PENK（P = 0.001；图 5b.iv）有显著影响。图 5b.ii）萎缩以及横断面 CSF NfL（P = 0.002；图 5b.iii）和 CSF PENK（P = 0.001；图 5b.iv）水平，其中 CAACAG CCGCCA 的缺失与神经退行性病程的加速有关。值得注意的是，在校正纯 CAG 长度后，非典型等位基因结构与SER之间没有可检测到的关联（FDR > 0.15）。该研究在一个新的评估单元中使用了先进的认知、神经影像学、遗传学和生物流体标记的多模态测量方法，对一个独特的年轻成年HDGE群体进行了研究，该群体的基线平均距离临床运动诊断的预测时间约23年，并将他们与匹配的对照组进行了前所未有的详细比较。该研究基线横断面数据发现了神经退行性变的早期迹象，尽管其大脑功能保持完好。在此提供了4.5年的随访数据，从机理上揭示了驱动携带HD基因突变的人类神经退行性变的重要原因（图 6）。![]()
总之，本文提出的结果有力地支持了以下假设：血液DNA中个体特异性的体细胞扩增可预测大脑中个体特异性的体细胞扩增。在临床运动诊断前几十年的受试者中发现，CAG重复序列的体细胞扩增似乎是最早病理疾病过程的重要驱动因素，这一点从它与纹状体萎缩率以及 CSF NfL 和PENK水平的关联中可以得到证明。作为疾病发病机理基础的重复序列体细胞扩增可能与许多重复序列扩增疾病相关，在这些疾病中，类似的DNA修复机制也可能发挥作用。随着针对已知会影响体细胞扩增的DNA修复蛋白的新疗法不断开发，该研究结果及时证明了体细胞扩增与可测量的疾病标志物之间的关联。 通过在神经退行性过程开始时，即在临床运动诊断前几十年的 HD-ISS 0 期和 1 期，针对体细胞 CAG 重复扩增的疗法进行干预，在功能保持完好的情况下，治疗完全有可能延迟甚至防止临床症状的出现。为此，研究者确定了早期病理学的可靠指标，这些指标有可能成为疾病进展的生物标记替代物，并确定了理想的干预人群，以延迟或预防临床运动诊断。![]()
Scahill RI, Farag M, Murphy MJ, Hobbs NZ, Leocadi M, Langley C, Knights H, Ciosi M, Fayer K, Nakajima M, Thackeray O, Gobom J, Rönnholm J, Weiner S, Hassan YR, Ponraj NKP, Estevez-Fraga C, Parker CS, Malone IB, Hyare H, Long JD, Heslegrave A, Sampaio C, Zhang H, Robbins TW, Zetterberg H, Wild EJ, Rees G, Rowe JB, Sahakian BJ, Monckton DG, Langbehn DR, Tabrizi SJ. Somatic CAG repeat expansion in blood associates with biomarkers of neurodegeneration in Huntington's disease decades before clinical motor diagnosis. Nat Med. 2025 Jan 17. doi: 10.1038/s41591-024-03424-6. Epub ahead of print. PMID: 39825149.校 审：商慧芳
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