·和常見基因變異相比，罕見變異與增加或降低阿爾茨海默病風險有更強的關聯，從而為了解阿爾茨海默病的潛在生物學機制打開了一扇窗，並為新的療法鋪平道路。
·阿爾茨海默病基因研究先驅魯道夫·坦齊曾說到，罕見變異在人群中的發生頻率低於1%，卻佔個體基因組變異的77%，僅使用全基因組關聯研究（GWAS）可能會錯過疾病的大部分遺傳景觀。
時隔百年，與探究阿爾茨海默病理機制密切相關的兩位女性。
逃離阿爾茨海默病的命運
1906年，55歲的奧古斯特·德特女士（Auguste Deter）去世，德國精神病學家阿爾茨海默（Alois Alzheimer）解剖了她已經萎縮的大腦，發現其中滲透有微小的斑塊，還有奇怪的纏結標記神經元的死亡，足以將她的疾病與其他的痴呆症區分開來。它們被後世命名為β澱粉樣蛋白（Aβ）和tau蛋白，成為阿爾茨海默病的獨特標誌物。
一百多年後，哥倫比亞安蒂奧基亞的艾麗婭（Aliria Rosa Piedrahita de Villegas）被研究人員稱作“我們時代的奧古斯特”。她所在的大家庭擁有一種罕見的遺傳性基因突變，幾乎可以確保她在40歲左右就會罹患早發性阿爾茨海默病。然而，直到72歲，她才出現輕微的癥狀。2020年11月，她因黑色素瘤去世，享年77歲，離開前幾個月仍記得家人和朋友、自己做飯和洗澡，並且可以毫不費力地記住“神經科學”和“冠狀病毒”之類的名詞。
艾麗婭究竟如何逃過了被阿爾茨海默病“詛咒”的命運，長久吸引着科學家的目光。此前他們已經通過腦核成像技術發現，她的大腦里含有大量Aβ，卻沒有多少tau蛋白，在普通患者中，兩者往往先後出現和累加。艾麗婭的獨特之處在於，她除了具有家族遺傳的致病基因突變PSEN1 E280A之外，她還有一個極其罕見的基因突變——APOE3 Christchurch，且是來自父母雙方的純合子（其他人只有來自父母一方的一個基因突變拷貝）。
在APOE的3個等位基因中，APOE4被公認為阿爾茨海默病的最強風險基因，APOE2則是保護基因，而APOE3則沒有特別的影響。但艾麗婭的病例顯示，基因之間存在相互作用，一種罕見突變可能對抗另一種。
艾麗婭的腦部影像顯示，β澱粉樣蛋白與tau蛋白似乎“斷絕關係”。
艾麗婭給世界留下了一個珍貴的禮物：她的大腦。藉助單細胞 RNA 測序，研究人員得以揭示特定基因在腦細胞中的表達方式。最近的研究發現，她的tau蛋白病理髮展，在很大程度上“放過”了對判斷和其他執行功能很重要的額葉皮質，以及對記憶和學習很重要的海馬體，轉而涉及了枕葉皮層，即控制視覺感知的頭部後部大腦區域。枕葉皮質是唯一表現出典型阿爾茨海默症特徵的主要大腦區域，例如稱為小膠質細胞的保護性腦細胞的慢性炎症，和降低的APOE表達水平。【1】
還有一種罕見的APOE3變體APOE3-Jacksonville，也可以降低一個人患阿爾茨海默病的風險。自2014年被報道以來，直到去年科學家才揭示它背後的潛在機制是減少APOE的自聚集，這與促進膽固醇排出和增強的脂質結合能力有關，可以降低澱粉樣蛋白負荷和相關毒性，促進大腦的修復和健康老化。【2】
“對阿爾茨海默病和認知衰退有抵抗力的患者，正在引領我們對阿爾茨海默病病理生理學理解的一場革命，並為新的、受患者啟發的療法鋪平道路。”麻省總醫院多文化阿爾茨海默症預防項目（MAPP）主任、哈佛醫學院精神病學副教授亞基爾·基羅斯（Yakeel T. Quiroz）參與領導了APOE3 Christchurch的研究。她認為，APOE3-Jacksonville與硫酸乙酰肝素蛋白聚糖的相互作用受損，可能是與認知症風險降低相關的 APOE 變體（包括 APOE3-Christchurch 和 APOE2）的共同特徵，需要進一步研究。
進入基因組“暗物質”研究
早期發現的阿爾茨海默病基因，如導致早發性阿爾茨海默病的APP、PSEN1、PSEN2，和晚發性阿爾茨海默病的主要風險基因AOPE，都與加速澱粉樣蛋白沉積有關。2008年，阿爾茨海默病基因研究先驅魯道夫·坦齊（Rudolph Tanzi）的實驗室，首次發現與神經炎症相關的阿爾茨海默基因CD33，它攜帶着小膠質細胞上受體的遺傳密碼。
小膠質細胞通常充當大腦的管家之一，清除神經碎片，包括斑塊和纏結。5年後，坦齊和他的同事們研究發現，CD33影響小膠質細胞的活動：當該基因高度表達時，小膠質細胞會從管家轉變為神經元殺手，從而引發神經炎症。此後，與CD33具有相反作用的另一個阿爾茨海默基因TREM2也被發現，它可以關閉小膠質細胞促進神經炎症的能力。
這或許能夠與部分特殊病例相印證：他們在屍檢中被發現腦部有大量澱粉樣斑塊和神經元纖維纏結，卻始終沒有出現阿爾茨海默病癥狀，原因就在於他們沒有神經炎症。用坦齊的比喻來說，感染點燃了澱粉樣蛋白病變的火柴，隨着蛋白積累，殺死神經元，引發神經炎症，隨後才蔓延為腦內的“叢林大火”。
魯道夫·坦齊在線上演講中，介紹神經炎症在阿爾茨海默發病機制中的重要性。
今年4月，一項迄今為止最大規模、涉及10萬患者和60萬健康人的全基因組關聯研究結果出爐。在識別出的75個與阿爾茨海默有關的基因組區域中，新發現了42種阿爾茨海默基因，同樣將阿爾茨海默病與大腦免疫系統受損聯繫了起來。【3】
“創建一個廣泛的阿爾茨海默病風險基因列表，就像一個大型拼圖過程，這項工作雖然沒有為我們提供完整的畫面，但給出了寶貴的框架。當然，它也告訴我們阿爾茨海默症有多麼複雜，多種不同機制影響着疾病發展。”英國阿爾茨海默症研究中心的研究主任蘇珊·科爾哈斯（Susan Kohlhaas）說道。
不過，僅僅有全基因組關聯研究（GWAS）或許仍然不夠。阿爾茨海默病的遺傳力（即遺傳變異占表現型總變異的百分數）估計在60%-80%之間。“APOE，APP，PSEN1和PSEN2，加上前40個GWAS基因，僅占阿爾茨海默病遺傳風險的一半，剩下的另一半未知，這是我們進入基因組‘暗物質’的地方——罕見變異。”坦齊曾說到，罕見變異在人群中的發生頻率低於1%，卻佔個體基因組變異的77%。【4】
去年4月，坦齊和同事們利用全基因組測序（WGS），發表了新發現的13 個與阿爾茨海默病有關的罕見變異基因。它們可以提供阿爾茨海默病與神經發育、突觸功能（傳遞化學和電通訊信號的腦細胞之間的連接）和神經可塑性（神經元重組神經元的能力）之間的一些最初的遺傳聯繫。【5】“我們相信我們已經創建了一個新模板，用於超越標準 WGS以及疾病與常見基因組變異的關聯，其中你錯過了疾病的大部分遺傳景觀。”
麻煩的是，罕見突變可能只發生在一個人或一個家庭中。 “在阿爾茨海默病測序項目中進行全基因組測序的2萬人中，54% 的單核苷酸多態性僅在一個人身上看到，”斯坦福大學博士揚·勒·根（Yann Le Guen）說。如此小的樣本量要如何確定與阿爾茨海默病的關聯？功能多組學分析是關鍵策略。
罕見基因變異堪稱基因組中的“暗物質”。
罕見基因變異能告訴我們什麼
尋找阿爾茨海默罕見功能基因變異的研究通常分為三類：一是在已知關聯基因中尋找罕見功能變異，例如錯義突變、插入/缺失、剪接變體、移碼和早期終止密碼子等；二是系統運用全基因組測序 (WGS) 和基於全外顯子組測序 (WES) 數據，來識別罕見的功能變異；三是在新的假設驅動阿爾茨海默病的候選基因中，尋找罕見功能基因變異。一些罕見的基因變異簇還可以識別疾病相關的新基因，或表明已知疾病相關蛋白的哪個域可能出現故障。
今年4月，俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學的研究團隊，從大約5500個阿爾茨海默病例和 5000個阿爾茨海默測序項目（ADSP）對照的WES數據着手，在近21000個基因中識別出超過160萬個罕見變異。再將這些變異映射到蛋白質數據庫中的6000多種蛋白質結構，以及人工智能 AlphaFold 推定的近 17500 個蛋白質結構上，發現只有少數相應基因具有統計顯著性的罕見基因變異簇。
隨後再在一個ADSP WES獨立隊列中搜索這些基因變異熱點，最後鎖定了三個基因：除了已知的TREM2和 SORL1，還有一個全新的基因EXOC3L4。它表達一種過去知之甚少的蛋白質，預計是外囊複合物的一個組成部分，參與囊泡運輸和胞吐作用。
在這項研究的分析中，這三個基因的突變數分別達到33、56和68個。在阿爾茨海默病例中，有15個EXOC3L4變體落入 C 端 Sec6 域。【6】此前研究顯示，該領域內的罕見變異與阿爾茨海默病的皮質葡萄糖代謝有關。
“這項研究提出的評估罕見錯義變異同時考慮其在蛋白質中的空間分佈的統計方法，在阿爾茨海默病研究領域是新穎的，特別有助於聚合在空間上聚集在一起的單例。”揚·勒·根評價，這為未來的藥物開發提供了信息，即應該針對蛋白質的哪個結構域會對疾病產生影響。
“目前大約有100種阿爾茨海默相關的基因變異已經被確認，其中大約一半是保護性的，一半是危險因素，其中大多數還沒有被確認的功能。”坦齊認為，接下來的問題是如何評估個體的風險，許多團隊正在開發多基因風險評分，“一個好的多基因風險評分，不依賴於單個基因和基因功能，而是基於基因組單個片段的遺傳模式。”
“識別已確立和新的候選阿爾茨海默基因中的罕見功能變異，有望加速阿爾茨海默病遺傳數據轉化為有意義的生物學數據，並更好地理解阿爾茨海默病，以及如何治療這種毀滅性的疾病。”坦齊說。