《Parkinsonism & Related Disorders》：Mitochondrial insertions/deletions (INDELs) burden in Parkinson’s disease: an analysis from a Brazilian cohort
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本研究针对混合人群中线粒体DNA (mtDNA) 插入/缺失 (INDELs) 与帕金森病 (PD) 的关联这一研究空白，通过对巴西亚马逊地区179名个体（104例PD患者，75例对照）进行全mtDNA测序，首次在混合人群中发现PD患者线粒体复合体I (Complex I) 的INDELs负担显著增高 (OR = 9.23)，并鉴定出7个新的PD相关INDELs，尤其在美洲原住民单亲系个体中更常见。该研究强调了研究线粒体基因组变异在代表性不足人群中的重要性。
帕金森病是一种进展性的神经退行性疾病，其标志是大脑黑质中多巴胺能神经元的丧失。这种疾病不仅影响患者的运动能力，如导致运动迟缓、静止性震颤和肌肉僵硬，也常伴随认知和非运动症状，严重影响生活质量。尽管遗传因素在帕金森病的发生和发展中扮演着重要角色，但其背后的分子机制，特别是在不同人群中的差异，仍有许多未解之谜。近年来，科学家们将目光投向了细胞中的能量工厂——线粒体。线粒体拥有自己独立的遗传物质，即线粒体DNA (mtDNA)。由于它靠近产生大量活性氧 (Reactive Oxygen Species, ROS) 的线粒体内膜，且DNA修复机制相对较弱，因此非常容易发生突变，其中就包括插入和缺失 (INDELs) 这类结构变异。这些变异可能破坏线粒体基因的功能，导致细胞能量供应不足和氧化应激加剧，而这两者都被认为是帕金森病发病的关键因素。然而，过去的研究大多集中在单核苷酸变异上，对于mtDNA插入缺失突变在帕金森病中的作用，尤其是在遗传背景复杂多样的混合人群中，我们知之甚少。巴西人口是美洲原住民、非洲和欧洲人群长期混合的产物，这为我们提供了一个独特而宝贵的研究窗口，来探索此前可能被忽视的遗传多样性如何影响疾病风险。
为了填补这一知识空白，研究团队将目光聚焦于巴西亚马逊地区的帕拉州。该地区人口拥有丰富的美洲原住民和非洲母系遗传背景，是在全球基因组数据库中代表性严重不足的群体。研究人员进行了一项观察性横断面研究，旨在描绘该人群中帕金森病患者mtDNA中插入缺失突变的谱系。他们总共招募了192名参与者，其中109人被临床诊断为帕金森病（PD组），83人为无神经系统疾病的健康对照（CT组）。所有参与者均来自巴西帕拉州贝伦市的奥菲尔·洛约拉医院运动障碍门诊。经过严格的数据质量控制和过滤后，最终纳入了179名个体（104名PD患者和75名对照）的数据进行分析。这项研究得到了相关伦理委员会的批准。
研究人员从参与者的外周血中提取DNA，并通过精心设计的33对引物对线粒体全基因组进行PCR扩增。随后，他们使用Illumina公司的测序平台进行了高通量测序。数据分析流程严谨：首先使用FastQC和MultiQC评估原始测序数据质量，接着用FastP进行数据过滤和修剪。随后，使用BWA比对工具将处理后的测序数据比对到线粒体参考基因组。最后，利用mtDNA-Server 2流程来鉴定插入缺失突变、计算其异质性水平，并评估样本污染程度。研究人员为统计比较进行了效能分析，确保样本量足以检测出组间差异。在分析中，他们将每位个体的INDELs负担定义为线粒体DNA中独特INDELs事件的总数，并使用逻辑回归模型来评估INDELs负担与帕金森病的关联，并校正了性别、年龄、种群结构主成分和测序批次等潜在混杂因素。
3.1. 参与者的临床特征
研究人员首先比较了患者组与对照组的临床特征。数据显示，PD组中男性比例（67.3%）显著高于对照组（49.3%）。同时，PD组中有阳性家族史的比例（24.0%）也远高于对照组（5.3%）。这印证了性别和家族史是帕金森病的已知风险因素。两组在年龄和农药暴露情况上没有显著差异。在PD患者中，最常见的首发运动症状是震颤（63.5%），最常见的运动表型是震颤主导型（42.3%），且大多数患者处于疾病早期（Hoehn & Yahr分期1-2期占76.0%）。
3.2. 线粒体祖先来源和宏单倍群组成
通过对mtDNA单倍群的分析，研究团队推断出每位参与者的母系祖先来源。在全部个体中，具有美洲原住民单亲系祖先的个体占主导地位（115人），其次是非洲（45人）、欧洲（14人）和亚洲（5人）来源的谱系。在美洲原住民祖先的个体中，PD患者的比例（62.4%）高于对照组（37.6%）。在美洲原住民宏单倍群（如A、B、C、D1）中，PD患者的比例也普遍较高。主成分分析（PCA）显示，基于INDELs数据，个体可以清晰地按照遗传祖先（非洲、亚洲、欧洲、美洲）进行分层，同时测序批次也可能成为一个混杂因素。
3.3. 帕金森病患者与对照组在线粒体复合体I（特别是ND5基因）的INDELs负担和异质性模式存在差异
这是本研究最核心的发现之一。研究人员发现，与对照组相比，PD患者携带的mtDNA INDELs总体负担显著更高。在复合体水平上，INDELs负担主要集中在编码线粒体复合体I的基因区域，其次是核糖体RNA基因、控制区(D-LOOP)和复合体V的基因。在基因水平上，RNR2、ND4、ND5、D-LOOP和 ATP6基因的INDELs负担较高，但只有ND5基因的差异具有统计学显著性。进一步的分析证实，这种差异并非由基因长度不同造成。对异质性（同一细胞内突变型和野生型mtDNA的混合比例）的分析显示，PD组INDELs的总体异质性水平较低。具体而言，PD患者在复合体I和复合体V基因中的INDELs异质性显著更高，而对照组则在控制区和核糖体RNA基因中表现出更高的异质性。在基因层面，ATP6、ND4和 ND5基因中的INDELs在PD患者中异质性更高。逻辑回归分析最终证实，线粒体复合体I的INDELs负担与帕金森病风险显著相关，风险比（Odds Ratio, OR）高达9.23。
3.5. 帕金森病患者存在与疾病相关的新INDELs移码突变
在PD患者和对照组共享的INDELs中，研究人员在ND5基因内鉴定出七个新的移码突变，它们与帕金森病风险存在统计学上的显著关联。这七个INDELs是：m.13763_13763delinsCCA， m.13885_13885delinsCTG， m.13888_13890delinsT， m.13767_13769delinsC， m.13810_13812delinsG， m.13813_13813delinsGCA， 以及 m.13764_13764delinsCAT。其中，m.13763_13763delinsCCA在PD患者中最为常见，而m.13767_13769delinsC则表现出最大的异质性分布范围。重要的是，这些新发现的INDELs在携带美洲原住民单亲系谱系的个体中出现的频率尤其高。
该研究得出结论，在线粒体复合体I ND5基因中发现的INDELs可能是导致帕金森病易感性的潜在因素。PD患者中复合体I基因的低异质性INDELs负担增加，可能反映了受细胞过程（如线粒体自噬和炎症反应）影响的选择性动态。而复合体V基因（尤其是ATP6）中观察到的高异质性INDELs，则可能反映了与生物能量功能障碍相关的线粒体损伤的累积。这些发现将mtDNA的结构变异，特别是INDELs，与帕金森病的病理生理学联系了起来。
在讨论部分，作者阐释了其发现的潜在生物学意义。他们指出，在PD患者外周血单核细胞（PBMCs）中观察到的INDELs负担变化，可能反映了与PD进展相关的系统性炎症和免疫代谢变化。ND5基因中的移码突变可能破坏线粒体复合体I亚基的表达，损害其结构和功能，这与之前报道的PD患者中ND5和ND4表达下调的研究结果一致。复合体I功能的部分或完全失活可能导致活性氧（ROS）大量产生和糖酵解增强，从而驱动促炎症激活状态，并通过NLRP3炎症小体促进白细胞介素-1β（IL-1β）的释放，加剧PD中的系统性炎症。同样，在ATP6基因中发现的高异质性INDELs可能通过损害复合体V的活性来发挥致病作用，进而损害质子转运、ATP合成和线粒体膜电位，导致细胞能量不足。此外，作者也指出了本研究的局限性，包括横断面设计无法建立因果关系，以及首发症状报告中可能存在的感知偏倚（震颤更容易被识别和报告）。他们强调，未来的研究需要包含更多样化且平衡的祖先谱系的大型样本，并进行纵向分析，以更好地阐明帕金森病背后的遗传结构和人群水平变异性。
这项研究的意义重大。它首次在遗传背景高度混合的巴西人群中，系统分析了mtDNA INDELs与帕金森病的关联，发现了新的疾病相关变异，并突出了遗传多样性和特定人群（如美洲原住民）在研究中的重要性。这些发现挑战了以往主要基于欧洲人群遗传研究得出的结论，强调了在基因组研究中纳入多样化人群以避免偏倚的必要性。研究鉴定出的特定INDELs，未来可能作为潜在的生物标志物，用于帕金森病的风险预测或亚型分型，并为理解线粒体功能障碍在帕金森病中的核心作用提供了新的遗传学视角。该论文已发表在《Parkinsonism & Related Disorders》期刊上，为精准医学时代开展更个性化、更有效的帕金森病诊断和治疗策略提供了重要的数据基础。
