Nat Med | 周莹玥等揭示阿尔茨海默症中人与小鼠的异同

原标题:Nat Med | 周莹玥等揭示阿尔茨海默症中人与小鼠的异同

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阿尔兹海默症(Alzheimer’s disease,AD)是一种最常见的老年痴呆症,通常发生在65岁以上的老人中。由于仍没有有效的治疗药物,阿尔兹海默症成为老龄化社会的一大负担。阿尔兹海默症发生在可见症状20年前,病理特征包括神经元外部的β淀粉样蛋白聚积(plaque)和神经元内的高磷酸化tau蛋白聚积(tangle),这些异常聚积的蛋白引起神经元死亡、大脑失忆、大脑功能逐渐退化。除去神经元,大脑中其他胶质细胞在病理过程中的变化也越来越受到关注,其中对于小胶质细胞(microglia)的研究较为广泛。

小胶质细胞是大脑中的主要免疫细胞,随着病理进程,小胶质细胞被激活,上调疾病相关基因(DAM genes)且下调稳态基因(homeostatic genes)并分泌水解酶、参与吞噬毒性蛋白、清除死细胞【1,2】。长久被激活的小胶质细胞也可引起慢性炎症,从而加速疾病的进程。相对于小胶质细胞,目前对另外两种胶质细胞,星状胶质细胞(astrocyte)和少突胶质细胞(oligodendrocyte)在疾病过程中功能的研究较少。星状胶质细胞也可被激活并释放炎性因子。这些对阿尔兹海默症病理发生的研究大多在小鼠模型中进行,而小鼠模型在多大程度上可以模拟疾病在人体中的发生机理仍不清楚。

阿尔兹海默症的发病几率随衰老增加,受环境因素影响,同时也有遗传因素。GWAS研究已经发现大量可增加发病几率的遗传突变,这些突变所在基因大多和免疫功能相关,进一步证明小胶质细胞参与疾病病理过程。在这些突变中,TREM2突变是仅次于ApoE4的高频突变。TREM2是髓系细胞的细胞表面受体,在大脑小胶质细胞中表达。Trem2敲除小鼠的小胶质细胞存在生长和代谢缺陷,且在小鼠阿尔兹海默模型中不表达DAM基因【3】,从而使病程恶化【4】。然而TREM2如何在整体上影响阿尔兹海默症还尚未被阐明。

2020年1月13日,圣路易斯华盛顿大学 Marco Colonna教授团队 周莹玥为第一作者)Nature Medicine杂志上发表文章 Human and mouse single-nucleus tranomics reveal TREM2-dependent and -independent cellular responses in Alzheimer’s disease 揭示了小鼠模型和阿尔兹海默病人大脑中的单细胞转录谱的相似和相异性,以及TREM2蛋白在其中的作用。

为了揭示在阿尔兹海默病程中除小胶质细胞以外的细胞转录水平变化,研究人员利用单核测序技术(single-nucleus RNA sequencing),首先对Trem2敲除或未敲除的阿尔兹海默小鼠模型以及野生小鼠大脑进行测序。结果再次表明小胶质细胞在小鼠AD中数量增加并表达TREM2介导的DAM基因。此外,研究首次揭示少突胶质细胞在小鼠AD中上调Serpina3n和C4b基因,并通过免疫荧光技术验证其在蛋白水平上调。这一现象在病理早期表现为依赖TREM2,而在晚期不依赖TREM2。Serpina3n是一种蛋白酶抑制剂,C4b是补体蛋白,此前这两种蛋白均被表明可与β淀粉样蛋白结合。通过体外β淀粉样蛋白沉积动力学实验,研究人员发现C4b可显著加速β淀粉样蛋白聚集,因此他们推测这两种蛋白可能在聚集形成过程中起作用。此外,对小鼠大脑样品的蛋白质组分析验证了测序结果。

接着,研究人员对32个来自病人的死亡大脑样本进行了单核测序,从而和小鼠模型进行比对。样品中有21位死者具有阿尔兹海默病理特征,这其中11位不携带TREM2突变,10位携带TREM2 R62H突变,而作为对照的另外11位死者没有病理学特征。出乎意料的,结果显示,人类阿尔兹海默大脑与小鼠AD中胶质细胞群转录谱存在巨大差异。在阿尔兹海默病人的小胶质细胞上调的基因中仅有几个和小鼠DAM基因一致,反而是在小鼠中被认为“稳态”的基因在病人中有所上调,而这些基因和在外周神经损伤中被激活且由IRF8调控的基因高度吻合。因此研究人员推测转录因子IRF8可能在人类阿尔兹海默中起调控作用。更加令人意外的是许多小鼠的DAM基因被发现并不在人类小胶质细胞中表达。此外,阿尔兹海默病人的少突胶质细胞下调促进髓鞘生成(myelination)的基因,同时上调代谢相关基因,而在小鼠中上调的SERPINA3和C4B被发现只在人类星状胶质细胞中表达。阿尔兹海默病人的星状胶质细胞上调参与胶质瘢痕(glial scaring)的细胞基质分子,且下调调节神经元和星状胶质细胞间脂代谢的相关基因。

最后,研究人员发现TREM2 R62H突变携带者和非携带者相比,小胶质细胞的应答有所降低,首次在人类样品中表明TREM2在调控小胶质细胞中起重要作用。

这项新的研究首次揭示了大脑中少突胶质细胞在小鼠AD中的基因表达变化,以及由于小鼠模型病理发生局限性引起的小鼠模型和阿尔兹海默症病人大脑的细胞转录谱的巨大差异。这一结果为今后利用小鼠模型研发药物靶点提出了启示。

https://doi.org/10.1038/s41591-019-0695-9

制版人:珂

参考文献

1. Keren-Shaul, H. et al. A Unique Microglia Type Associated with Restricting Development of Alzheimer’s Disease. Cell 169, 1276-1290.e17 (2017).

2. Krasemann, S. et al. The TREM2-APOE Pathway Drives the Tranional Phenotype of Dysfunctional Microglia in Neurodegenerative Diseases. Immunity47, 566-581.e9 (2017).

3. Ulland, T. K. et al. TREM2 Maintains Microglial Metabolic Fitness in Alzheimer’s Disease. Cell 170, 649-663.e13 (2017).

4. Ulland, T. K. & Colonna, M. TREM2 - a key player in microglial biology and Alzheimer disease. Nat. Rev. Neurol.14, 667–675 (2018). 返回搜狐,查看更多

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