アルツハイマー病における脳透過およびポリアミン経路に関連する複数の代謝ネットワークの調節不全：標的メタボロミックおよびトランスクリプトーム研究

背景：アルツハイマー病（AD）が、その病因の根底にある複数の生化学経路で調節不全を伴う広範な代謝障害であるという証拠が増えています。代謝の摂動がADにどのように関連しているかを理解することは、疾患修飾療法の新しいターゲットを特定するために重要です。この研究では、ADの病因が脳輸血およびポリアミン経路の調節不全に関連しているかどうかをテストします。 方法と調査結果：最初に、ボルチモア老化（BLSA）（AD：n = 17;無症候性AD [asyy）の3つのグループの脳サンプルで毛細血管電気泳動質量分析（CE-MS）を使用して、標的および定量的メタボロミクスアッセイを実施しました。]：n = 13;コントロール[cn]：n = 13）（総計37.2％、脆弱で抵抗性の両方の地域での平均死亡年齢86.118±9.842歳）。2つの原発性脳領域（下側頭回[ITG]および中間前頭回[MFG]）内の線形混合効果モデルを使用して、26代謝産物の脳組織濃度と次の主要な結果との関連をテストしました。アルツハイマー病（CERAD）（神経糸プラークの負担）、およびブラック（神経原線維病理学）スコアのレジストリ。CNサンプルと比較して、ADの代謝産物の濃度の大幅な変化と、主にITGでのCeradとBraakの両方の重症度との関連があることがわかりました。これらの代謝物は、（1）メチオニンサイクルの生化学反応を表していました（コリン：ADで低く、p = 0.003; S-アデノシルメチオニン：ADで高く、p = 0.005）。（2）トランス硫酸およびグルタチオン合成（システイン：ADで高く、P <0.001; Grutathioneの減少[GSH]：ADで高く、P <0.001）;（3）ポリアミン合成/異化（スペルミジン：ADでより高い、p = 0.004）;（4）尿素サイクル（N-アセチルグルタミン酸：ADで低い、p <0.001）;（5）グルタミン酸 - アスパラギン酸代謝（N-アセチルアスパラギン酸：ADが低い、p = 0.002）;（6）神経伝達物質代謝（ガンマアミノ底酸：ADが低い、p <0.001）。3つの遺伝子発現Omnibus（GEO）データセットを利用して、腫瘍皮質（ERC; AD：n = 25; Cn：n = 52）およびHippapcus（AD）のこれらの経路内の重要な反応を調節する酵素をコードする71の遺伝子のmRNA発現レベルを調べました。：n = 29;メタボロミクスの結果を補完して、トランスクリプトーム分析では、トランスメチル化とポリアミン代謝に関連する生化学反応の重要な酵素調節因子の遺伝子発現レベルの有意な変化も明らかにしました。私たちの研究には制限があります。私たちのメタボロミクスアッセイは、私たちが調べた経路に参加しているすべての代謝物のわずかな割合のみを測定しました。私たちの研究も横断的であり、ADの進行が代謝産物濃度の変化または微分遺伝子発現の変化にどのように影響するかを直接テストする能力を制限しています。さらに、比較的少数の脳組織サンプルにより、すべての経路特異的代謝物とその遺伝的調節因子の変化を検出するための私たちの能力が限られている可能性があります。 結論：この研究では、神経伝達物質シグナル伝達、尿素サイクル、アスパラギン酸 - グルタミン酸代謝、グルタチオン合成の異常を含む、トランスメチル化とポリアミン合成/異化の広範な調節不全が観察されました。我々の結果は、細胞メチル化の可能性の変化と、トランスメチル化経路の流束の増加、抗酸化防御メカニズムの需要の増加、尿素サイクルにおける中間代謝の摂動、およびアスパラギン酸 - グルタミン酸経路の摂動、およびミトコンドリアの生体エネルギーの破壊、ポリアミンの生物症および分解の増加、およびアブナマリティの増加、ADに関連する神経伝達物質代謝において。

BACKGROUND: There is growing evidence that Alzheimer disease (AD) is a pervasive metabolic disorder with dysregulation in multiple biochemical pathways underlying its pathogenesis. Understanding how perturbations in metabolism are related to AD is critical to identifying novel targets for disease-modifying therapies. In this study, we test whether AD pathogenesis is associated with dysregulation in brain transmethylation and polyamine pathways. METHODS AND FINDINGS: We first performed targeted and quantitative metabolomics assays using capillary electrophoresis-mass spectrometry (CE-MS) on brain samples from three groups in the Baltimore Longitudinal Study of Aging (BLSA) (AD: n = 17; Asymptomatic AD [ASY]: n = 13; Control [CN]: n = 13) (overall 37.2% female; mean age at death 86.118 ± 9.842 years) in regions both vulnerable and resistant to AD pathology. Using linear mixed-effects models within two primary brain regions (inferior temporal gyrus [ITG] and middle frontal gyrus [MFG]), we tested associations between brain tissue concentrations of 26 metabolites and the following primary outcomes: group differences, Consortium to Establish a Registry for Alzheimer's Disease (CERAD) (neuritic plaque burden), and Braak (neurofibrillary pathology) scores. We found significant alterations in concentrations of metabolites in AD relative to CN samples, as well as associations with severity of both CERAD and Braak, mainly in the ITG. These metabolites represented biochemical reactions in the (1) methionine cycle (choline: lower in AD, p = 0.003; S-adenosyl methionine: higher in AD, p = 0.005); (2) transsulfuration and glutathione synthesis (cysteine: higher in AD, p < 0.001; reduced glutathione [GSH]: higher in AD, p < 0.001); (3) polyamine synthesis/catabolism (spermidine: higher in AD, p = 0.004); (4) urea cycle (N-acetyl glutamate: lower in AD, p < 0.001); (5) glutamate-aspartate metabolism (N-acetyl aspartate: lower in AD, p = 0.002); and (6) neurotransmitter metabolism (gamma-amino-butyric acid: lower in AD, p < 0.001). Utilizing three Gene Expression Omnibus (GEO) datasets, we then examined mRNA expression levels of 71 genes encoding enzymes regulating key reactions within these pathways in the entorhinal cortex (ERC; AD: n = 25; CN: n = 52) and hippocampus (AD: n = 29; CN: n = 56). Complementing our metabolomics results, our transcriptomics analyses also revealed significant alterations in gene expression levels of key enzymatic regulators of biochemical reactions linked to transmethylation and polyamine metabolism. Our study has limitations: our metabolomics assays measured only a small proportion of all metabolites participating in the pathways we examined. Our study is also cross-sectional, limiting our ability to directly test how AD progression may impact changes in metabolite concentrations or differential-gene expression. Additionally, the relatively small number of brain tissue samples may have limited our power to detect alterations in all pathway-specific metabolites and their genetic regulators. CONCLUSIONS: In this study, we observed broad dysregulation of transmethylation and polyamine synthesis/catabolism, including abnormalities in neurotransmitter signaling, urea cycle, aspartate-glutamate metabolism, and glutathione synthesis. Our results implicate alterations in cellular methylation potential and increased flux in the transmethylation pathways, increased demand on antioxidant defense mechanisms, perturbations in intermediate metabolism in the urea cycle and aspartate-glutamate pathways disrupting mitochondrial bioenergetics, increased polyamine biosynthesis and breakdown, as well as abnormalities in neurotransmitter metabolism that are related to AD.