Science 重磅︱威尔康奈尔医学院甘莉团队神经退行疾病的性别差异系列工作:X连锁基因驱动年龄和阿尔茨海默病相关脱髓鞘性别差异

学术   2024-12-02 00:02   上海  

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撰文谢  谢

责编︱王思珍


人们对性别差异在各种疾病中的作用认识仍然不足,尤其是在多发性硬化症、阿尔茨海默病和帕金森病等中枢神经系统疾病中,虽然性别差异显著,但性别驱动的病理影响仍知之甚少。


威尔康奈尔医学院甘莉课题组于20241129日发表在Science杂志上的研究论文Tlr7 drives sex differences in age- and Alzheimer’s disease–related demyelination该研究阐明了X连锁基因Tlr7在脱髓鞘中的性别差异作用,发现其耗竭或抑制可减少性别差异,并且在tau介导的脱髓鞘小鼠模型中能够有效防止脱髓鞘的发生。这一发现有助于揭示神经系统疾病性别差异的机制。同年930日,甘莉课题组还在Neuron上发表了另一篇文章Alzheimer’s disease-linked risk alleles elevate microglial cGAS-associated senescence and neurodegeneration in a tauopathy model揭示了APOE4TREM2 R47H突变如何通过激活大脑免疫细胞的炎症反应,显著增加阿尔茨海默病的风险,尤其在女性中表现更加明显。拓展阅读:甘莉课题组团队相关研究进展,详见“逻辑神经科学报道(点击阅读)Cell︱美国威尔康奈尔医学院甘莉团队基于人类iPSC 4R Tau蛋白病模型揭示Tau蛋白繁殖的修饰因子


CPZ能够诱导小鼠脱髓鞘。为评估性别差异在脱髓鞘过程中的作用及其对衰老的影响,研究人员对两性年轻和老年野生型小鼠分别给予低剂量的0.2% CPZ或对照饮食。CPZ治疗5周后,年轻小鼠均未表现出运动障碍,但髓鞘丢失显著(图1ACD。然而,在老年小鼠中,只有雌性小鼠同时表现出运动障碍和髓鞘丢失(图1BEF表明衰老加剧了脱髓鞘过程中的性别差异。


为了揭示随年龄增长出现的脱髓鞘性别差异的潜在机制,研究人员采用FCG模型,通过该模型可以分析性染色体和性腺的影响(图1G。该模型中,去除Y染色体上Sry基因并插入常染色体,产生四种不同的性染色体-性腺组合:XX与卵巢(XXO)、XY与卵巢(XYO)、XX与睾丸(XXT)和XY与睾丸(XYT)。研究人员通过snRNA-seq数据集对少突胶质细胞进行了亚聚类分析,确定了六个亚簇,包括稳态细胞(簇1)和髓鞘少突胶质细胞(图1H。在这六个亚簇中,四个受CPZ影响(图1HCPZ处理后,XXOXXTXYO小鼠中簇1少突胶质细胞数量减少,但XYT小鼠中并未见此变化,提示XY染色体和睾丸参与了这一过程(图1H。第4簇仅在女性XXO小鼠中由CPZ诱导,标志基因分析显示,簇4包含髓鞘基因的下调,如MbpMagPlp1。通路分析表明,这些基因与少突胶质细胞的内吞作用、磷脂酶D信号转导和细胞粘附相关,均为髓鞘形态发生所必需。簇4的标记基因与多发性硬化患者中鉴定出的疾病相关少突胶质细胞(DAO)特征高度相关(图1I。因此,性别特异性的CPZ反应在髓鞘丢失前即在少突胶质细胞中表现出来。在小胶质细胞的反应方面,研究人员发现CPZ处理后的XXO小鼠特有的MG4亚簇表现出XistTsix等表观遗传因子的表达上调,以及包括Tlr7Csf1rCtssNfia在内的免疫基因的特定子集表达下调(图1O这些发现表明,在髓鞘丢失之前,女性小胶质细胞和少突胶质细胞对CPZ已经表现出明显的转录组反应。

1.性染色体和性腺是衰老小鼠性别偏倚、非自身免疫性脱髓鞘的基础。


XYT小鼠相比,XXO小鼠中与阿尔茨海默病相关的基因(如ApoeMeg3)以及神经免疫基因(如H2-K1H2-D1)表达较高,而稳态小胶质细胞基因(如P2ry12Csf1r)则下调。仅在脱髓鞘前或后,少数基因亚群的表达才有所变化,例如脱髓鞘前的C1qcCd180,以及脱髓鞘后的Usp50(图2AB。进一步分析小胶质细胞亚簇的反应,研究表明,CPZ诱导的MG2亚簇在所有基因型中都表现出与DAMs高度相关的转录特征(图2CE。特别是在XY染色体的小鼠中,CPZ诱导的MG2亚簇比例高于XX小鼠(图2D,这与雄性小鼠小胶质细胞的形态变化相一致。


通过进一步分析CPZ治疗对少突胶质细胞的影响,研究人员发现,尽管性别差异在髓鞘丢失前表现得较为显著,但在治疗5周后,髓鞘形成基因的性别偏倚表达逐渐发生变化。特别是在XXO少突胶质细胞中,治疗3周后表达首先下调,然后在治疗5周后重新上调(图2G。性腺的影响大于性染色体的影响(图2H。在差异表达基因(DEG)分析中,60个基因受性腺影响,20个受性染色体与性腺共同影响(图2H。这些包括髓鞘形成基因、淀粉样蛋白基因及与阿尔茨海默病相关的基因(如ApoeApod(图2H


通过CellChat分析,研究人员进一步探讨了性别偏倚基因如何影响其他细胞类型。研究重点分析了由性腺驱动的基因(如Cdh2),该基因已被证明可促进少突胶质细胞髓鞘形成(图2I。值得注意的是,雄性小鼠的少突胶质细胞中并未出现与CDH信号转导相关的转录组变化(图2J。蛋白水平分析显示,性腺在CDH2表达中的作用,表明卵巢小鼠的少突胶质细胞中CDH2水平显著高于睾丸小鼠,而性染色体则不影响CDH2蛋白表达(图2KL因此,性染色体和性腺在脱髓鞘过程中起到了细胞类型和环境特定的关键作用,性染色体在小胶质细胞活化中的作用更为显著,而性腺则在少突胶质细胞信号传导中起着更重要的作用。

2.脱髓鞘过程中性染色体和性腺对小胶质细胞和少突胶质细胞的特异性影响。


为了评估性染色体和性腺的下游影响,研究人员在5周的CPZ治疗结束时,检测了卵巢或XX性染色体小鼠的运动缺陷(图3AB。结果显示,具有卵巢的小鼠在额叶皮层中表现出更显著的CPZ诱导的髓鞘丢失,提示性腺在脱髓鞘过程中的作用(图3CD。然而,性染色体的组成在髓鞘丢失方面没有显著差异(图3E。由于在该年龄段的任意性腺状态下,雌二醇水平较低(图3F,因此,仍需进一步研究雌激素下降是否在加剧神经炎症方面起着作用。


接下来,研究人员进一步探索了CPZ治疗中的时间和区域特异性神经炎症反应。研究人员进行了多重酶联免疫吸附测定(ELISA),以测量CPZ处理3周或5周后,额叶皮层和海马中的细胞因子和趋化因子的水平。结果发现,在CPZ治疗3周后,卵巢存在的小鼠在额叶皮层中表现出显著增加的一组细胞因子或趋化因子水平,而这种急性效应在CPZ治疗5周后有所减弱(图3GH。然而,在海马中,这种增加仅在5周时出现(图3IJ,在3周时未观察到差异。进一步分析不同基因型的影响表明,尽管卵巢在神经炎症的增加中起着主导作用,但在XY背景下这一影响似乎被进一步放大(图3KL),这突出了性染色体和性腺在神经炎症调节中的复杂相互作用。

3.性染色体和性腺特异性对 CPZ 诱导的髓鞘丢失和神经炎症的影响。


为了探讨AD相关的APOE4基因与性染色体和性腺在响应tau病理学中的相互作用,研究人员将FCG小鼠与APOE4背景小鼠杂交,然后与表达P301S突变tau蛋白的人类tau蛋白病模型(也在APOE4背景上繁殖)进行杂交(图4A。在衰老的910个月时,研究人员使用构象特异性抗体MC1标记海马中的tau聚集体,未观察到性别差异(图4B。性染色体和性腺均未对MC1标记的tau聚集体产生显著影响(图4CD。小胶质细胞亚簇分析显示出五个亚簇,其中簇3tau病理学的影响下显著扩展(图4E,并且簇3的标志基因与DAM(疾病相关小胶质细胞)标志基因高度相关(图4F。簇3的较高部分与XY染色体相关,而性腺对其没有显著调节作用(图4GH。通过假批量分析,研究人员比较了XYT E4/P301S小胶质细胞与XXO E4/P301S小胶质细胞的转录组,并检查了上游调节因子。结果表明,TNF-αNF-κB和干扰素(IFN)信号转导介质,如STINGIfnar,是主要的上游调节因子(图4I。进一步的蛋白质印迹分析显示,STINGNF-κB p65的表达在XYT E4/P301S小鼠中明显增多(图4JKL。使用MBP western blot技术,研究人员发现,tau诱导的脱髓鞘仅在XYT E4/P301S小鼠中出现(图4JM这些结果表明,tau诱导的脱髓鞘的性别差异涉及XY染色体与性腺因子之间的复杂相互作用。


为了排除FCG模型易位伪影的潜在混杂因素,研究人员还检查了未与FCG小鼠杂交的雄性和雌性E4/E4;P301S小鼠(图4N。同样,在雄性E4/P301S小鼠中,tau诱导的IIFN转录本表达显著增加,而在雌性小鼠中则较少(图4N

4.性染色体和性腺影响 tau 诱导的小胶质细胞反应和人源化APOE4 背景上的脱髓鞘。


已知X连锁基因Tlr7能够在人PBMC中引发性别特异性的IIFN反应。Tlr7CPZ处理的XXO小鼠特有的小胶质细胞簇(MG4)中被强烈下调(图1O。为了验证Tlr7是否在中枢神经系统(CNS)中引发性别偏倚反应,研究人员在老年雄性和雌性WT小鼠中腹膜内注射了TLR7激动剂Gardiquimod,这种治疗已被证明能够刺激大脑中的TLR7(图5A。从这些小鼠的大脑海马提取的大量RNA-seq数据表明,激动剂在雄性小鼠中诱导的转录组反应比雌性小鼠更为强烈(图5B。在雄性小鼠中,TLR7激活诱导的特异性DEGs通路分析显示,与抗病毒反应相关的通路上调,包括I型和IIIFN反应(图5BC。在大脑中,Tlr7主要由小胶质细胞和巨噬细胞表达。


为了确定Tlr7是否调节髓鞘丢失过程中小胶质细胞的性别偏倚反应,研究人员使用了WTTlr7敲除(Tlr7–/–)小鼠。在处理了髓鞘和小胶质细胞后,进行了大规模RNA-seq(图5D。当髓鞘存在时,Tlr7的缺失在性别特异性方面改变了4000多个基因的表达(图5E雄性小胶质细胞的转录组比雌性小胶质细胞受敲除影响更大(图5E。此外,Tlr7缺失显著下调了雄性小胶质细胞中的IFN反应,这是下调最多的通路之一(图5FG。在雌性小胶质细胞中,Tlr7的缺失则减弱了DNA复制和修复途径(图5HI因此,小胶质细胞中的Tlr7驱动了髓鞘诱导的雄性偏倚IIFN反应。

5.Tlr7 驱动小鼠大脑和髓鞘刺激的培养小胶质细胞中雄性偏倚的IIFN反应


研究人员推测,如果Tlr7在髓鞘作用下充当小胶质细胞性别差异的中枢介质,那么其去除可能抑制脱髓鞘过程中的性别差异并改变下游结果。在1011个月大的Tlr7–/–雄性和雌性小鼠中,研究人员用CPZ治疗35(图6A。如预期所示,在敲除小鼠中未检测到Tlr7RNA(图6B。对雄性和雌性Tlr7敲除小胶质细胞的snRNA-seq分析表明,与具有完整Tlr7FCG小鼠相比,缺失Tlr7的小鼠的转录组变化显著减少。小胶质细胞亚簇分析显示6个亚簇(图6CD。研究人员观察到,在雌性小鼠中,稳态MG1的丢失和富含DAMMG3的增加,而在雄性小鼠中则未观察到这一变化,证实了Tlr7在小胶质细胞反应中的性别特异性作用(图6C。相比之下,Tlr7敲除后,雄性和雌性小胶质细胞的反应未出现显著差异,在簇3中均表现出类似的增加(图6D。簇3的分析显示,富含DAM的基因(如LplMyo1eAxlItgx显著增加。在少突胶质细胞中,CPZ处理仅在Tlr7–/–雌性小鼠中表现出变化(图6E


为了评估Tlr7缺失对雄性和雌性小鼠在CPZ诱导的IIFN反应中的影响,研究人员进行了磷酸信号转导和转录激活因子1p-STAT1)与IBA1的共免疫染色,以标记小胶质细胞(图 6G。结果显示,雄性小鼠的小胶质细胞中p-STAT1水平显著高于接受CPZ治疗的雌性小鼠(P < 0.05)。而在 Tlr7 缺失的情况下,雄性小胶质细胞中的 p-STAT1水平显著降低(P < 0.001),从而消除了性别间的差异(图 6G H。在CPZ治疗5周期间,无论Tlr7是否缺失,小鼠均表现出体重减轻。然而,敲除Tlr7 后,海马体(图 6I J和额叶皮层的髓鞘丢失得到了改善。此外,敲除Tlr7还能够防止女性小鼠中观察到的旋转损伤(图 6K。综合来看,研究表明Tlr7在推动性别特异性IFN反应和脱髓鞘缺陷的过程中发挥了关键作用。


接下来,研究人员探讨了Tlr7缺失如何影响在表达纯合P301S突变型tauPSUK)的小鼠模型中tau诱导的脱髓鞘。研究团队应用了TLR7/8抑制剂M5049,这一抑制剂此前已在小鼠中进行了药代动力学测试并确认了其脑通透性。M5049被配制在食物中,以40 mg/kg的剂量处理PSUK雄性和雌性小鼠,持续2个月。然后收获大脑以评估转录组变化和tau诱导的脱髓鞘(图 6L。大量RNA-seq分析显示,TLR7的抑制导致雄性小鼠中不同表达基因DEG的数量显著多于雌性小鼠(图 6M,这一发现与TLR7激动剂和Tlr7基因缺失在小胶质细胞中的雄性偏倚效应相一致(图 5B E。对雄性特异性DEG的通路分析进一步显示,先天免疫反应通路被显著下调(图 6N。在抑制剂效应的重叠基因分析中,研究人员发现雄性和雌性对抑制剂的反应截然不同(r = –0.89),这一结果进一步验证了TLR7在驱动性别二态性中的作用(图 6O。使用M5049处理后,雄性小鼠的海马体脱髓鞘得到有效防止,而雌性小鼠在这一年龄段未出现tau诱导的脱髓鞘(图 6PQ。此外,雄性和雌性PSUK小鼠均表现出后肢麻痹(图 6R,而 M5049 处理显著改善了这种麻痹表现。综上所述,Tlr7tau诱导的性别特异性脱髓鞘过程中起着重要作用,支持进一步评估TLR7抑制剂作为治疗tau病理引起的脱髓鞘的潜在策略。

6.TLR7缺陷消除了性别差异并防止非自身免疫和tau诱导的脱髓鞘。

7.文章总结图
 
文章结论与讨论,启发与展望

脱髓鞘或髓鞘的丢失自然发生于衰老,但在几种神经退行性疾病中会恶化。其中许多疾病,包括阿尔茨海默病 AD),在患病率上表现出性别差异。然而,目前尚不清楚衰老或神经退行性变中的脱髓鞘是否具有性别偏倚。这项研究详细说明了性别如何在衰老的脱髓鞘过程中充当主要修饰因素,以及在AD风险等位基因APOE4存在的情况下充当tau病理学。某些基因和细胞信号通路,如TLR7IFN通路,表现出基于性染色体和性腺组成的差异活性,这一事实对理解疾病机制和开发潜在治疗方法具有深远的影响。


原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk7844


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