《Virus Research》：Identification of key genes modules linking brain aging signatures and COVID-19-associated cognitive impairment
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本文聚焦于新冠病毒感染后認(rèn)知障礙（俗稱“腦霧”）的分子機(jī)制，旨在填補“長新冠”背景下認(rèn)知衰退研究的關(guān)鍵空白。研究團(tuán)隊利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和生物信息學(xué)方法，在新冠患者大腦額葉皮質(zhì)中成功鑒定出81個上調(diào)、441個下調(diào)的差異表達(dá)基因，并通過整合LASSO回歸與加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，最終確定了5個與大腦衰老和神經(jīng)炎癥密切相關(guān)的關(guān)鍵基因。這些發(fā)現(xiàn)為理解“長新冠”相關(guān)的認(rèn)知衰退提供了潛在的生物標(biāo)志物和干預(yù)靶點，有望推動針對性的治療方案開發(fā)。
新冠疫情已進(jìn)入第五個年頭，但其深遠(yuǎn)影響遠(yuǎn)未結(jié)束。大量康復(fù)者報告了揮之不去的神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，特別是注意力渙散、記憶力下降、思維遲滯等認(rèn)知問題，這種現(xiàn)象常被稱為“腦霧”，是“長新冠”的核心挑戰(zhàn)之一。盡管臨床觀察已確認(rèn)其存在，但大腦內(nèi)部究竟發(fā)生了什么變化，導(dǎo)致認(rèn)知功能像經(jīng)歷了加速衰老一樣衰退，其背后的分子機(jī)制卻仍是未解之謎。這就像一個“黑箱”，限制了有效干預(yù)手段的開發(fā)。為了撬開這個“黑箱”，理解新冠病毒如何“攻擊”我們的大腦，一支來自上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院的研究團(tuán)隊，對新冠感染后大腦的分子圖譜進(jìn)行了一次深入探索。他們的研究成果近期發(fā)表在病毒學(xué)領(lǐng)域期刊《Virus Research》上，為揭開“腦霧”之謎提供了新的關(guān)鍵線索。
研究人員開展這項研究的核心邏輯是：既然新冠感染后的認(rèn)知障礙與大腦衰老的表現(xiàn)有相似之處，那么其背后是否存在共享的分子通路和關(guān)鍵基因？為了回答這個問題，他們從公開數(shù)據(jù)庫（GEO）中獲取了新冠感染者與健康對照者死后額葉皮質(zhì)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，運用了生物信息學(xué)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的分析策略。首先，他們通過差異表達(dá)分析，篩選出在兩組間表達(dá)水平顯著不同的基因。接著，利用功能富集分析探究這些基因在哪些生物學(xué)通路中富集，以揭示其功能趨向。隨后，他們引入加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，從全局角度尋找與新冠性狀緊密相關(guān)的基因模塊。為了進(jìn)一步聚焦于衰老相關(guān)的核心分子，他們整合了來自GeneCards數(shù)據(jù)庫的衰老相關(guān)基因，并運用LASSO回歸這一機(jī)器學(xué)習(xí)算法，從海量數(shù)據(jù)中篩選出最具區(qū)分度和潛在功能重要性的少數(shù)關(guān)鍵基因。最后，研究還通過單樣本基因集富集分析評估了感染后大腦免疫微環(huán)境的變化，并利用比較毒理基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫探索了針對關(guān)鍵基因的潛在治療藥物。
3.1. 差異表達(dá)分析與聚類揭示了COVID-19樣本中獨特的表達(dá)模式
通過對來自GEO數(shù)據(jù)集GSE188847的23個對照樣本和22個COVID-19樣本進(jìn)行差異表達(dá)分析，研究人員共鑒定出522個差異表達(dá)基因，其中包括441個上調(diào)基因和81個下調(diào)基因。這表明新冠病毒感染在額葉皮質(zhì)引發(fā)了廣泛的基因表達(dá)擾動。功能富集分析結(jié)果顯示，上調(diào)基因主要富集在免疫激活和炎癥反應(yīng)相關(guān)通路，如對II型干擾素的反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)等。而下調(diào)基因則顯著富集于神經(jīng)元和突觸功能相關(guān)通路，包括突觸信號傳遞、突觸組織、神經(jīng)元投射發(fā)育以及γ-氨基丁酸能（GABAergic）突觸等。這初步揭示了感染后大腦可能處于一種“免疫亢奮、神經(jīng)功能抑制”的雙重失衡狀態(tài)。
3.2. 通過加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析解讀COVID-19組與對照組之間的相互作用
為了系統(tǒng)地找出與COVID-19性狀最相關(guān)的基因群，研究人員對44個樣本進(jìn)行了加權(quán)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析。他們成功構(gòu)建了基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，并識別出與COVID-19狀態(tài)關(guān)聯(lián)最緊密的兩個關(guān)鍵模塊：綠色模塊和青綠色模塊。這兩個模塊中的基因在功能上高度協(xié)同，被認(rèn)為是驅(qū)動COVID-19與大腦相互作用的核心基因集合，為理解其分子機(jī)制提供了系統(tǒng)性的視角。
3.3. 解析COVID-19中的衰老相關(guān)基因
為精確鎖定與認(rèn)知衰退（一種類似加速衰老的表現(xiàn)）直接相關(guān)的核心基因，研究人員將WGCNA找到的關(guān)鍵模塊基因、差異表達(dá)基因以及已知的衰老相關(guān)基因庫進(jìn)行交集分析，得到了77個重疊基因。隨后，他們對這77個基因應(yīng)用LASSO回歸進(jìn)行特征篩選，最終確定了5個最具代表性的關(guān)鍵基因：SST、S100A9、SOCS3、FKBP5和HBB。其中，SST的表達(dá)在新冠患者大腦中顯著降低，而S100A9、SOCS3、FKBP5和HBB的表達(dá)則顯著升高。這5個關(guān)鍵基因在區(qū)分新冠患者與對照者方面表現(xiàn)出極高的診斷價值。
3.4. 探究關(guān)鍵基因在COVID-19中的作用
為了解感染后的大腦免疫微環(huán)境，研究人員分析了28種免疫細(xì)胞在樣本中的浸潤情況。結(jié)果顯示，包括髓源性抑制細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、CD8陽性T細(xì)胞在內(nèi)的16種免疫細(xì)胞在新冠患者大腦中發(fā)生了顯著變化，表明感染引發(fā)了強(qiáng)烈的、可能具有破壞性的免疫細(xì)胞浸潤。同時，為了尋找潛在的治療方向，他們通過數(shù)據(jù)庫分析，發(fā)現(xiàn)了7種與這5個關(guān)鍵基因存在已知相互作用的潛在治療劑，包括氟維司群、布拉地新、S-腺苷甲硫氨酸、丙戊酸、葉酸、山奈酚和槲皮素。
4. 討論與結(jié)論
研究的討論部分對上述發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了深入闡釋。首先，研究人員指出，盡管新冠病毒具有神經(jīng)侵襲的潛在受體（如星形膠質(zhì)細(xì)胞中的ACE22），但中樞神經(jīng)系統(tǒng)中檢測到完整病毒顆粒的比例極低，這表明“腦霧”等神經(jīng)后遺癥更可能由非細(xì)胞自主性機(jī)制介導(dǎo)，即全身性免疫炎癥“波及”大腦，而非病毒直接在大腦內(nèi)大量復(fù)制所致。
其次，功能分析證實了“免疫-認(rèn)知軸”的存在。上調(diào)基因關(guān)聯(lián)的肺纖維化通路和NLRP3炎癥小體激活，以及下調(diào)基因關(guān)聯(lián)的突觸可塑性和GABA能傳遞障礙，共同描繪了一幅神經(jīng)炎癥破壞神經(jīng)功能的圖景。這與腦脊液（CSF）蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞因子水平升高、神經(jīng)元支持細(xì)胞減少等證據(jù)相互印證。
最后，也是最核心的發(fā)現(xiàn)，是5個關(guān)鍵基因的鑒定及其潛在意義：
- 1.
SST：這是一種具有抗炎和神經(jīng)調(diào)節(jié)特性的神經(jīng)肽。其表達(dá)下調(diào)可能導(dǎo)致免疫反應(yīng)失調(diào)、神經(jīng)炎癥加劇以及突觸可塑性受損，這與研究中觀察到的GABA能抑制通路受損相符。
- 2.
S100A9：作為一種促炎蛋白，其水平升高與細(xì)胞因子風(fēng)暴和系統(tǒng)性炎癥相關(guān)。在大腦中，它可能破壞血腦屏障并促進(jìn)神經(jīng)元損傷。
- 3.
SOCS3：作為細(xì)胞因子信號傳導(dǎo)的負(fù)調(diào)控因子，其失調(diào)可能加劇慢性神經(jīng)炎癥并損害神經(jīng)元修復(fù)機(jī)制。
- 4.
FKBP5：作為一種應(yīng)激反應(yīng)蛋白，其過度表達(dá)可能使糖皮質(zhì)激素受體信號傳導(dǎo)失調(diào)，增加個體對神經(jīng)炎癥和認(rèn)知損傷的易感性。
- 5.
HBB：這是血紅蛋白的β鏈編碼基因。其在腦組織中升高更可能反映了樣本采集過程中的血液污染或大腦缺氧應(yīng)激狀態(tài)，而非直接的衰老調(diào)控，提示在分析時需注意此類混雜因素。
綜上所述，這項研究通過多層次的生物信息學(xué)分析，系統(tǒng)揭示了新冠感染后大腦額葉皮質(zhì)在轉(zhuǎn)錄組水平上的深刻變化，其核心特征是促炎/免疫通路的上調(diào)和神經(jīng)突觸功能相關(guān)通路的下調(diào)。研究成功鑒定出的SST、S100A9、SOCS3、FKBP5和HBB這五個關(guān)鍵基因，構(gòu)成了連接新冠病毒感染、神經(jīng)炎癥與認(rèn)知功能障礙（表現(xiàn)為類似加速衰老）的關(guān)鍵分子節(jié)點。這些基因不僅可作為潛在的血漿或腦脊液生物標(biāo)志物，用于評估“長新冠”認(rèn)知障礙的風(fēng)險與嚴(yán)重程度，其本身也是極具潛力的藥物干預(yù)靶點。例如，針對SST的下調(diào)，可考慮開發(fā)其類似物或激動劑；針對S100A9、SOCS3、FKBP5的上調(diào)，則可探索相應(yīng)的抑制劑。數(shù)據(jù)庫分析提示的幾種現(xiàn)有藥物（如丙戊酸、槲皮素等）也為老藥新用提供了快速轉(zhuǎn)化的可能性。盡管研究存在樣本量有限、缺乏功能實驗驗證等局限性，但它為理解“新冠腦霧”的分子本質(zhì)提供了關(guān)鍵線索，為后續(xù)開展機(jī)制研究、開發(fā)診斷工具和靶向療法奠定了重要的理論基礎(chǔ)，標(biāo)志著對“長新冠”神經(jīng)系統(tǒng)后遺癥的認(rèn)識從現(xiàn)象描述邁向了機(jī)制探索的新階段。
