在阿尔茨海默病的早期研究中,科学家发现许多神经胶质细胞内部出现了“小小的脂肪囊”,但这一现象长期以来都不如斑块和纤维缠结那样受关注。最新的基因研究揭示,一些涉及脂质处理和免疫功能的基因在AD风险中占有重要地位。尤其是APOE基因,它与脂质代谢关系密切,能够让小胶质细胞在阿尔茨海默病中囤积大量脂滴(LD:lipid droplet)。然而,这些脂滴的作用却尚不明朗:它们在保护神经免受损害,亦或是病情的推手?目前,科学家们正在深入研究这些“脂滴胶质细胞”在AD中究竟是保护者还是破坏者。
团队和文章信息
2024年3月13日,来自斯坦福大学医学院神经病学和神经科学系的Tony Wyss-Coray团队在《Nature》(IF: 50.5)上发表了题为APOE4/4 is linked to damaging lipid droplets in Alzheimer’s disease microglia的论文。本文研究表明,阿尔茨海默病的遗传风险因素APOE4/4与小胶质细胞脂滴积累和神经毒性小胶质细胞衍生因子之间存在联系,可能为阿尔茨海默病提供治疗策略。
本研究通过单核RNA测序(snRNA-seq)分析了死后AD患者前额叶皮层组织的转录状态,比较了APOE4/4和APOE3/3基因型的AD患者及APOE3/3健康对照组。差异基因表达分析发现,APOE4/4 AD患者的小胶质细胞中脂质处理酶ACSL1(acyl-CoA synthetase long-chain family member 1,酰基辅酶a合成酶长链家族成员1)显著上调,并进一步分化为LDAM(LD-accumulating microglia)状态,即含LD相关基因的小胶质细胞亚群。LDAM在APOE4/4 AD脑组织中含量最高,免疫荧光结果验证了这一发现。
通过油红染色中性脂质,检测AD和对照脑组织中的脂质堆积情况。APOE4/4 AD患者的脑组织显示核周围富含类似脂滴的油红+脂质体,与阿尔茨海默原始描述的脂质小囊相似。这些脂质体在AD组织中尤为显著,且与β淀粉样蛋白(Aβ)斑块密切相关。小胶质细胞标记ACSL1在Aβ斑块附近富集,推测脂质体可能存在于ACSL1+小胶质细胞中。脂质体数量与认知表现呈负相关,与Aβ斑块及Tau病变呈正相关。
为了验证APOE基因型是否影响小胶质细胞中的脂滴积累,研究人员将APOE4/4和APOE3/3基因型的iPS细胞分化为小胶质细胞。活细胞成像显示,与APOE3/3相比,APOE4/4 iMG中LD积累更显著,且在fAβ处理后进一步增加。LD相关基因PLIN2和ACSL1在fAβ作用下上调,且APOE4/4背景上调幅度更大。CRISPR-KO筛选发现PIK3CA是LD积累的关键调节因子,PI3K抑制剂GNE-317减少了APOE4/4 iMG中的LD形成并改善了炎症状态。RNA-seq显示,GNE-317降低了脂质合成基因表达,增加了脂质降解和神经保护因子的表达,表明通过促进自噬可能调节LD水平。
为研究LDAM对神经元的影响,研究者将APOE4/4 iMG按脂滴含量分为LD-high和LD-low组,培养12小时后获得条件培养基。然后,将这些培养基添加到人类iPS细胞衍生的神经元中。结果显示,仅LD-high组条件培养基导致了神经元中Tau磷酸化(pTau)增加,而LD-low组和未处理组则无此效应。此外,LD-high条件培养基还引起了神经元的脂滴堆积和caspase激活,并使三酰基甘油增加,表明LDAM条件培养基可诱导神经元病理特征。
ACSL1 阳性巨噬细胞
阿尔茨海默病 (AD) 中存在一种由脂滴相关酶 ACSL1 表达定义的巨噬细胞状态。这种 ACSL1 阳性巨噬细胞在具有 APOE4/4 基因型的 AD 患者中最为丰富。纤毛淀粉样蛋白 (fAβ) 诱导巨噬细胞中ACSL1 表达、甘油三酯合成和脂滴积累,并且这种诱导作用在 APOE 依赖性方式下发生。脂滴富含巨噬细胞的条件培养基导致tau磷酸化和神经毒性,并且这种效应也在APOE依赖性方式下发生。富含脂滴的巨噬细胞通过抑制PI3K和抑制PI3K/AKT/mTOR通路来减少脂滴积累,并改善其功能障碍和炎症表型。
Highlight
研究揭示了脂质代谢与阿尔茨海默病病理学之间的联系,为阿尔茨海默病的治疗提供了新的靶点和潜在的治疗策略;识别了 ACSL1 作为脂滴富含巨噬细胞的标志物,这有助于未来的研究和治疗开发;发现了PI3K抑制可以减少脂滴积累并改善脂滴富含巨噬细胞的表型,为阿尔茨海默病的治疗提供了新的潜在靶点。
研究局限性
研究主要集中在人类脑组织样本和细胞系中。需要进一步的研究来验证这些发现是否适用于其他物种;研究主要集中在脂滴富含巨噬细胞的表型,需要进一步的研究来了解脂滴富含巨噬细胞的分子机制和功能。
Q & A
Q1:APOE4/4 基因型与阿尔茨海默病中脂滴损伤相关的证据?
A:ACSL1 基因在 APOE4/4 基因型的 AD 患者巨噬细胞中表达上调,并与脂滴形成相关。AD 患者脑组织中脂滴数量增多,并且这些脂滴主要存在于 APOE4/4 基因型的患者中。fAβ 可以诱导巨噬细胞中脂滴积累,并且这种积累在 APOE4/4 iMG 中更为明显。富含脂滴的巨噬细胞条件培养基可以导致神经元损伤,并且这种效应在 APOE 依赖性方式下发生。PI3K 抑制剂可以减少脂滴积累并改善脂滴巨噬细胞LDAM表型。
Q2:文章是如何确定 PI3K/AKT/mTOR 通路在脂滴积累和脂滴富含巨噬细胞表型中的作用的?
A:首先进行单细胞 RNA 测序和 ATAC 测序,发现 PI3K/AKT/mTOR 通路相关基因在富含脂滴的巨噬细胞中表达上调,染色质可及性也增加。进行CRISPR-KO 筛选:发现 PIK3CA 基因是脂滴积累的关键调节因子,且PI3K 抑制剂 GNE-317 可以减少脂滴积累,并改善LDAM的表型。通路分析发现抑制 AKT 或 mTOR 也可以减少脂滴积累,并改善脂滴富含巨噬细胞的表型。进一步对机制进行研究,发现 GNE-317 可以抑制自噬,并增加 LC3B 蛋白的水平,表明 GNE-317 可以通过增加自噬来减少脂滴积累。
原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07185-7
编辑:杨诗歌
排版:bonbon
校对:吴彦池
审核:曹秋晨
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