Cell Death Dis|温州医科大学谢成龙/宋伟宏/肖健团队揭示NMN通过ATF4依赖的线粒体应激反应改善阿尔茨海默症

学术   2024-10-17 00:01   上海  

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末


撰文熊茜,谢成龙

责编︱王思珍


大量研究表明线粒体功能障碍是阿尔茨海默病AD发病机制的关键,因此可能成为AD发生的危险因素 一些研究表明,与淀粉样蛋白蛋白毒性有关的疾病中存在保守的线粒体应激反应MSR特征,涉及线粒体未折叠蛋白反应UPRmt和线粒体自噬途径。在生理或疾病条件下,UPRmt和线粒体自噬是与应激抵抗合作的两个重要的线粒体质量控制途径,因为两者都对类似形式的线粒体应激作出反应。为了保持线粒体网络和功能完整,细胞开发了质量控制系统,通过UPRmt和线粒体自噬去除受损或多余的线粒体。虽然证据表明增加线粒体应激反应(MSR)可能会减轻AD中的神经退行性变,但开发针对ADMSR靶向治疗策略的探索却很少。

近日,温州医科大学谢成龙/宋伟宏/肖健团队在Cell Death and Disease 上发表了题为NAD+-boosting agent nicotinamide mononucleotide potently improves mitochondria stress response in Alzheimer’s disease via ATF4-dependent mitochondrial UPR的文章,揭示了NAD+增强剂烟酰胺单核苷酸NMNAD模型中调节MSR的新分子途径。在这里,作者报告了临床AD患者血浆中失调的UPRmt-线粒体自噬介导的MSR谱并通过AD跨物种模型,证实NMN通过 ATF4依赖的UPRmt途径能够恢复NAD+代谢特征并改善 MSR水平。补充NMN后补充NAD+可改善5xFAD小鼠模型中的线粒体蛋白毒性、减少海马突触破坏、减少神经元损失和脑萎缩。值得注意的是,具有 NMN 的海马组学特征表明,NMN导致与MSR特征相关的基因和蛋白质的转录变化,主要发生在星形胶质细胞内,而不是在小胶质细胞和少突胶质细胞内。展阅读:谢成龙/肖健课题组往期进展,详见“逻辑神经科学报道(点击阅读):CNSNT︱线粒体自噬相关蛋白系列作为用于特发性帕金森病诊断的潜在血浆生物标志物J Nanobiotechnol︱杨亮亮/周凯亮/肖健/倪文飞/张宏宇团队报道3D培养干细胞来源的凋亡小体在软组织移植中的新应用Adv Sci︱温州医科大学周凯亮/肖健/王向阳/丁健团队揭示凋亡小体在软组织移植后缺血坏死的创新应用


本研究一共招募了91名参与者,其中包括46名健康对照者(HC43名临床诊断 AD的患者,对其血浆 MSR 表达水平进行了探索。结果提示与HC组相比,AD组的血浆MSR谱(包括ATF4ATF5CHOPPINK1Parkin)水平显着升高,ROC曲线提示MSR是可靠的AD诊断标志物。相关性分析提示血浆中ATF4PINK1的相关性最高,且中介分析结果提示ATF4AD之间的关系是由PINK1Parkin介导的。


1. AD受试者的血浆显示UPRmt-线粒体自噬介导的MSR信号受损


烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)是重要的细胞辅助因子。烟酰胺单核苷酸(NMN)作为NAD+的重要前体,不仅可以增强NAD+的生物合成,也能够减少AD寡聚体的沉积。因此,作者欲探究NAD+水平的降低是否会加速AD的病理表型,提升MSR水平。研究发现NMN 降低了小鼠细胞中APPC99BACE-1CTFs的蛋白水平,这表明NMN可能通过抑制BACE-1活性方式改善病理学。HEK293 Tau P301L细胞中,NMN处理逆转了tau病理进展,并导致几个磷酸化 tau (p-tau) 位点的表达减少,包括thr181thr231thr217ser396有趣的是,3D重建成像结果显示更多的tau和溶酶体共定位于NMN处理的细胞中,这表明NMN处理可能通过自噬缓解细胞tau病理。


2. NAD+-UPRmt通路的激活有助于AD相关细胞模型的改善


作者进一步探究NAD+补充剂NMN5xFAD小鼠行为的影响,并对5xFAD小鼠进行了为期2个月的NMN治疗,随后依次进行矿场试验、新物体识别、Y迷宫、条件恐惧和水迷宫。行为学结果表明NMN6月龄的5xFAD小鼠的认知障碍有显着的积极影响。然后,为了探讨NMN 对年龄的影响,作者给予9月龄5xFAD小鼠NMN三个月治疗。然而,尽管存在趋势,NMN的药物补充并不能消除诱导的12月龄5xFAD小鼠的记忆缺陷。

 
3. NAD+补充剂可抑制5xFAD小鼠的记忆丧失并预防神经病理特征


前文中提到, NMN 处理能够上调Tau模型细胞 UPRmt 和线粒体自噬相关途径蛋白。作者进一步评估了UPRmt和线粒体自噬这两条MSR途径在小鼠海马区作为主要线粒体质量控制策略的作用,旨在探讨它们的表达是否同样受到NMN的调节。通过WBIF实验,作者发现,与未经NMN处理的5xFAD小鼠相比,数种UPRmt相关伴侣蛋白和蛋白酶,以及线粒体自噬水平显著提升,并恢复到接近野生型小鼠的水平。同时,作者检测了小鼠海马区中MSR相关基因的潜在转录水平,结果表明NMN能够增加UPRmt相关genemRNA表达。总体而言,在不同物种的阿尔茨海默症(AD)模型中,无论在蛋白还是转录水平上,都观察到了NMN给药后对MSR的显著诱导作用。


在本研究中,作者还评估了NMN5xFAD小鼠模型中对线粒体质量控制和神经退行性病变的影响。通过MRI扫描分析发现12月龄AD小鼠侧脑室体积增大和皮质变薄,而这些结构性改变可以通过NMN治疗得到缓解。还通过MitoSox荧光检测发现,NMN处理减少了线粒体ROS的产生,表明NMN对线粒体稳态具有保护作用。线粒体电镜结果显示,NMN显著减少了线粒体的损伤和空泡化现象,伴随着线粒体自噬的增加。最终,NMN治疗提高了电子传递链产生的三磷酸腺苷(ATP)水平,进一步证实NMN在维持线粒体功能方面的关键作用。

4. 通过增加NAD+生物合成可以改善小鼠体内的MSR特征


为了测试NMN5xFAD小鼠中改善记忆丧失的效果是否依赖于ATF4信号,作者通过注射AAV-KD敲低ATF4,行为学测试评估小鼠的空间学习和记忆能力。在NORMWM测试中,NMN增强了5xFAD小鼠的记忆和学习表现,但这种增强也因ATF4敲低而被抑制。这些结果表明,NMN通过ATF4途径部分减弱了介导的记忆丧失。硫磺素S染色提示,与NMN治疗组相比,AAVatf4-KD组小鼠较NMN治疗组小鼠海马区有更多的4G8+ThS+共阳性淀粉样斑块沉积。这表明ATF4敲减可能加剧了淀粉样斑块的形成,即使在NMN治疗的情况下,这种沉积也未得到缓解。

5. NMN通过ATF4途径减轻蛋白的毒性


随后作者描绘了AD小鼠背景中与NMN增强相关的转录改变的独特细胞水平视图,并揭示了细胞亚群的细胞类型特异性模式。作者一共鉴定出7个不同的细胞簇,包括星形胶质细胞、内皮细胞、小胶质细胞、壁细胞、神经元、少突胶质细胞和T细胞。细胞群CellChat分析表明,在NMN背景下,星形胶质细胞与其他细胞类型之间信号相互作用的数量和强度有所增加。 此外,作者发现星形胶质细胞、内皮细胞和神经元簇具有最显着的DEGs数量,尤其是星形胶质细胞。


火山图显示了基因的上调和下调情况。对比WT组与5xFAD组,以及5xFAD组与NMN处理的5xFAD组。作者发现多个基因上调,包括参与胞吞作用和微管运输的rab1a,凋亡细胞吞噬的mfge8ATP结合活性的wnk1hsp90arpc2,髓磷脂组成的plp1,以及钙离子稳态的Camk2n1等。同时,NMN处理也导致了一些与蛋白质折叠、大分子代谢及线粒体组织相关基因的下调,例如pdcd5dnajc24sap30lddit4lcoq7GOGSEA富集分析进一步揭示,NMN处理扰动了多个关键的线粒体功能相关途径,包括线粒体去极化、ATP合成、线粒体翻译等值得注意的是,在NMN治疗的5xFAD小鼠星形胶质细胞群中,UPRmt相关基因(如atf4eif2ahspa9ymel1limmp1l)以及线粒体自噬相关基因(如pink1tbk1fkbp1)显著上调。


为了验证星形胶质细胞中NAD+生物合成的增加是否能诱导MSR,作者在5xFAD小鼠的原代星形胶质细胞中进行了ATF4GFAP的免疫染色。结果显示,与对照组相比,NMN治疗显著增加了ATF4GFAP共定位的百分比。此外,荧光定量分析表明,NMN5xFAD小鼠海马中增强了星形胶质细胞内的ATF4表达,NMN主要在星形胶质细胞中上调了ATF4水平。


6. NMN增强星形胶质细胞中ATF4介导的MSR反应


文章结论与讨论,启发与展望

尽管累积的证据表明增加线粒体应激反应(MSR)可能减轻AD中的神经退行性病变,但针对ADMSR靶向治疗策略的开发却相对有限。本研究报告了AD患者样本中稳态失调的血浆UPRmt-线粒体自噬介导的MSR谱。揭示了NAD+增强剂烟酰胺单核苷酸(NMNAD相关的跨物种模型中,通过ATF4 依赖性UPRmt 途径恢复NAD+代谢特征并改善MSR 在体内,NMN补充能够改善AD小鼠模型中的线粒体蛋白毒性、和脑萎缩。单细胞测序结果显示,NMN主要在星形胶质细胞中引起了与MSR相关的基因和蛋白质的转录变化。简而言之,本研究研究提供了MSRAD发病机制中发挥积极作用的证据。通过ATF4耗竭削弱线粒体稳态加剧了AD特征;相反,NMN增强线粒体蛋白质稳态,不仅减少了蛋白质聚集,还恢复了记忆功能并延缓疾病进展,从而有望延长健康寿命。


原文链接:https://doi.org/10.1038/s41419-024-07062-1

温州医科大学附属第一医院神经内科博士生熊茜为本文的第一作者。本研究也得到了国家自然科学基金(82271469)和浙江省自然科学基金(LZ23H090001)等项目的大力支持。

通讯作者作者简介:温州医科大学附属第一医院神经内科谢成龙副主任医师长期从事阿尔茨海默病(AD)和帕金森病(PD)的临床和发病机制研究。主要研究线粒体功能障碍在AD中的发病机制,提高线粒体自噬功能可以改善AD的神经保护作用。相关成果发表于Nat Biomed EngCell Death & DiseaseCNS Neurosci Ther等杂志上。先后主持国家自然科学基金2项(面上项目和青年项目),浙江省自然科学基金2项(重点项目和一般项目),温州市科委基础研究项目,院内青年英才人才项目,校级优秀青年人才项目,浙江省高校领军人才青年优秀人才和浙江省高层次特支计划医疗卫生青年人才等。


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