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Nature︱APOE4/4与阿尔茨海默症小胶质细胞损伤性脂滴的关系

2024-04-02

  对阿尔兹海默症(AD)最初的描述中有一条指出,在痴呆患者的大脑中发现许多神经胶质细胞显示出脂肪囊状物[1]。对AD的这种胶质-脂质病理学标志的描述与对通常与AD相关的斑块和缠结的病理描述同时进行,然而前者在AD的研究中受到的关注相对较少。研究发现AD的一些遗传风险因素与脂质代谢相关的基因有关,其中许多脂质基因在胶质细胞中高度表达[2]APOE就是这样一种脂质相关的AD风险基因,在AD患者的小胶质细胞中高度上调,而具有APOE风险变体的人诱导多能干细胞衍生的小胶质细胞(iMG)具有更多的脂滴(LD)。最近有研究发现衰老小鼠的小胶质细胞中积累LD,并表现出一种称为LD积累小胶质细胞(LDAM)的功能失调的小胶质细胞状态[3,4]。然而,胶质细胞中的脂质代谢与AD病理之间的关系仍知之甚少。目前尚不清楚人类AD脑组织中的脂质积聚胶质细胞状态是否受到脂质AD风险变异(例如APOE)的影响,AD中报道的脂质积聚胶质细胞是否与最近发现的LDAM相似,脂质积聚胶质细胞是否在AD发病机制中发挥良性、保护性或破坏性作用。 

  2024313日,来自美国斯坦福大学医学院的Tony Wyss-Coray团队在Nature上在线发表题为APOE4/4 is linked to damaging lipid droplets in Alzheimer’s disease microglia的文章,通过对AD患者脑组织的单核RNA测序,发现了一种由脂滴相关酶ACSL1的表达所定义的小胶质细胞状态,其中ACSL1阳性的小胶质细胞在APOE4/4基因型AD患者中最为丰富。iMG中证实纤维状淀粉样蛋白fAβ)可以以APOE依赖的方式诱导ACSL1表达、甘油三酯合成和脂滴积累,并且来自含脂滴的小胶质细胞的条件培养基可以APOE依赖的方式导致Tau磷酸化和神经毒性。由此揭示了AD遗传风险因素与小胶质脂滴积累和神经毒性小胶质细胞衍生因子之间的联系,为AD的治疗提供了新策略。 

 

  为了研究死后人类AD脑组织的转录状态与APOE基因型的关系,研究人员对APOE4/4基因型AD患者、APOE3/3基因型AD患者以及年龄和性别匹配的APOE3/3基因型对照患者的新鲜冷冻额叶皮质组织进行了单核RNA测序(snRNA-seq)。差异基因表达分析显示,差异表达最显著的基因是酰基辅酶a合成酶长链家族成员1ACSL1),该基因编码一种脂质加工酶,是LD生物发合成的关键酶,ACSL1的过表达足以在几种细胞类型中诱导甘油三酯特异性LD的形成。与对照组相比,ACSL1AD脑组织小胶质细胞中特异性上调;与AD-APOE3/3小胶质细胞相比,在APOE4/4小胶质细胞中上调幅度更大。对所有小胶质细胞的亚聚类显示,ACSL1+小胶质细胞与稳态和疾病相关小胶质细胞(DAM)形成了不同的状态,前者含有更多代谢状态调节因子(如NAMPTDPYD)的共同表达,并且ACSL1+小胶质细胞簇中有一组LD相关基因,因此这些ACSL1+小胶质细胞被研究人员称为LDAM,其中AD-APOE4/4脑组织中LDAM比例最高。 

  随后,研究人员对AD和对照脑切片进行油红O染色,以测量细胞内脂质积累。实验结果发现AD-APOE4/4患者的大脑显示出丰富的核周油红O+脂质体,类似于LD,而且油红O+细胞通常在斑块附近或核心处发现。类似的,在斑块附近也观察到ACSL1+小胶质细胞,提示斑块附近含有脂质体的细胞可能是ACSL1+小胶质细胞。由此证实脂质积累与AD病理有关。 

  为了直接检测APOE基因型是否与小胶质细胞LD积累有关,研究人员构建了APOE4/4和等基因APOE3/3 iPS细胞分化的小胶质细胞(iMG)。研究发现与等基因的APOE3/3 iMG相比,APOE4/4 iMGLD的积累更大。用fAβ处理iMG可导致LD积累的显著增加,而APOE4 AD风险等位基因的存在则加剧了LD积累,但在APOE-KO背景下,fAβLD积累的影响消失,LD相关基因PLIN2ACSL1的表达也呈现相似的变化。同样的,用fAβ处理原代大鼠小胶质细胞、原代人巨噬细胞和小鼠BV2小胶质细胞系也观察到LD的积累。进一步地利用相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像,研究人员发现fAβ处理的iMGLD光谱与不饱和(甘油三酯)光谱重叠。脂质组学分析表明这些脂质是响应fAβ而从头合成的。全基因组CRISPR-KO筛选显示甘油三酯代谢调节因子是LD积累所需的最重要的基因类别,其中ACSL1LD形成所需的最重要基因之一。 

  为了评估LD积累的小胶质细胞的转录组学和表观遗传状态,研究人员对LD高和LDiMG进行了流式分选,然后进行了ATAC-seqRNA-seq。结果显示高LD小胶质细胞特异性富集NF-κB家族转录因子相关的基序,与低LD小胶质细胞相比,前者具有更高的NF-κB相关的促炎细胞因子的表达,以及更低的小胶质稳态标志物的表达。对含有LDAPOE4/4 iMG的表型测量表明,它们在吞噬功能、溶酶体积聚和分泌炎症相关趋化因子方面功能失调。这些结果与最近报道的描述小鼠LDAM具有功能失调和炎症性小胶质细胞状态的结果相似[4] 

  最后,为了研究LDAM对神经元的影响,研究人员将APOE4/4 iMG用流式分选为LD高和LD低两部分,并分别在神经基础培养基中培养12 h,形成条件培养基,用其培养APOE4/4 iPS细胞来源的人类神经元。实验结果显示只有高LD iMG条件培养基可诱导iPS细胞来源的神经元中的高浓度Tau磷酸化(pTau),而低LD iMG条件培养基诱导的pTau浓度与对照组相似。当使用APOE3/3APOE4/4 iPS细胞来源的iMG条件培养基处理人类神经元时,这种效果相似,但当使用APOE-KO iMG条件培养基时,这种作用不存在。同样,具有较高LD浓度的APOE3/3APOE4/4 iMG的条件培养基诱导了人类神经元中caspase的激活,而APOE-KO iMG的条件培养基则没有影响。有趣的是,用高LD条件培养基处理的人类神经元显示脂滴染色增加,而这是因为暴露于高LD条件培养基的iPS细胞衍生的神经元含有高浓度的甘油三酯脂类,这些脂类在fAβ刺激下积聚在iMG中。 

  综上所述,本研究发现APOE4基因型促进小胶质细胞向进化保守、适应不良和破坏性LDAM状态的转变,以响应包括在内的先天免疫触发因素,为LDAM介导的AD发病机制提供了新的假设,其中APOE依赖的方式诱导小胶质细胞甘油三酯脂质合成、LD积累和随后的神经毒性因子分泌,而这些脂质可能被转移到神经元,从而诱发神经退行性变的特征。 

 

  (来源:BioArt 

  参考文献: 

  1. Alzheimer, A. ?ber eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde. Allg. Z. Psychiatr. Psych. Gerichtl. Med. 64, 146–148 (1907). 

  2. Kunkle, B. W. et al. Genetic meta-analysis of diagnosed Alzheimer’s disease identifies new risk loci and implicates Aβ, tau, immunity and lipid processing. Nat. Genet. 51, 414–430 (2019). 

  3. Victor, M. B. et al. Lipid accumulation induced by APOE4 impairs microglial surveillance of neuronal-network activity. Cell Stem Cell 29, 1197–1212 (2022). 

  4. Marschallinger, J. et al. Lipid-droplet-accumulating microglia represent a dysfunctional and proinflammatory state in the aging brain. Nat. Neurosci. 23, 194–208 (2020). 

  链接:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07185-7 

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