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Nature:MIT蔡立慧团队揭示APOE4导致少突胶质细胞胆固醇积累、髓鞘形成减少,已验证潜在化合物

生辉

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图源:摄图网

作者|Susan 来源|生辉(ID:SciPhi)

阿兹海默氏病(Alzheimer's disease, AD)也称为老年痴呆,是一种进行性的神经系统退行性疾病。临床症状常常表现为认知障碍、记忆失衡和行为异常等症状,但该疾病发病机制迄今不明。

其中,载脂蛋白 E4 等位基因(APOE4)已被确定为与阿兹海默氏病最相关的遗传危险因素。先前的研究表明,与不带有 APOE4 基因的人相比,带有 APOE4 基因的人会出现更严重的记忆障碍、脑容量减少和代谢率下降。不过,目前导致阿兹海默氏病风险因素增加的生物学机制尚不清晰。

11 月 16 日,MIT 皮考尔神经科学教授、皮考尔学习和记忆研究所主任蔡立慧(Li-Huei Tsai)研究团队报告了针对 APOE4 与阿尔茨海默病关系的最新研究进展。在研究中,研究团队使用单细胞转录组学分析 APOE4 携带者与非携带者去世后的人脑,为 APOE4 对人脑的影响提供了更全面的见解。

研究构建了一个描述 APOE4 对人脑老化转录影响的单细胞图谱,并在 APOE4、胆固醇、髓鞘形成和记忆之间建立了功能联系。研究人员发现APOE4 与大脑中胆固醇失调相关,胆固醇失调会导致神经纤维周围的髓鞘出现缺陷,这些变化又会引发记忆和学习障碍。

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(来源:Nature

蔡立慧团队此前的研究已发现,APOE4 破坏神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞等关键脑细胞处理脂肪分子或者脂质的方式。最新研究进一步扩展了该团队在该领域的进展,不仅发现了 APOE4 如何破坏髓鞘形成,而且首次通过单细胞 RNA 测序(snRNAseq)对主要脑细胞类型进行了系统分析,并比较了携带 APOE4 和 APOE3 患者的基因表达差异。

APOE 有三种亚型,即 APOE2,APOE3 和 APOE4,其中 APOE3 为最常见的变体,也被认为对阿兹海默病为中性。

进一步讲,最新的研究为恢复胆固醇正常功能的药物治疗阿尔茨海默病提供了机制基础。值得一提的是,基于此前的研究以及最新的研究进展,该研究团队已经在实验室确定了可以纠正这些问题的化合物,以期为药物治疗阿尔茨海默病提供潜在策略。

蔡立慧指出,“本文通过对死后人脑的单细胞 RNA 测序并从特异性基因型角度出发,清晰表明 APOE4 对不同脑细胞类型的影响非常明显。通过试验,我们认为脂质失调可能是许多病理问题背后非常基本的生物学机制。”

在试验中,这些单细胞 RNA 测序数据包含来自 32 个人的前额皮质中 16 万个单细胞,这些细胞可以分为 11 种不同类型,其中有 12 个人有 2 个 APOE3 基因拷贝(APOE3/3),12 个人分别有一个 APOE3 基因和一个 APOE4 基因拷贝(APOE3/4),8 个人有 2 个 APOE4 基因拷贝(APOE4/4)。APOE3/3 和 APOE3/4 样本根据阿尔茨海默病的诊断、性别和年龄进行了平衡,所有 APOE4/4 携带者都患有阿尔茨海默病,8 人中有 5 人为女性。

▲图 | 在APOE3 携带者去世后脑组织中,通过黑金染色突出了清晰的髓鞘条纹,而在 APOE4 携带者去世脑组织中,髓鞘形成不明显(来源:MIT 皮考尔研究所)

研究表明,携带 APOE4 的少突胶质细胞表现出更高的胆固醇合成基因表达和胆固醇传送中断。且携带的 APOE4 拷贝分数越多,影响就越大。

通过观察组织,研究小组发现携带 APOE4 基因的脑部,大量胆固醇在细胞内异常积累,尤其是在少突胶质细胞中,而在神经轴突周围相对缺乏。

为了理解其中的原因,研究团队采用患者来源的诱导多能干细胞在实验室构建少突胶质细胞,这些细胞只在是否携带 APOE4 或 APOE3 上存在差异。研究再次发现,APOE4 细胞中脂质被严重破坏。尤其是,受影响的少突胶质细胞在体内积累了大量胆固醇。有迹象表明,内部脂肪对内质网造成了压力,这一细胞器在胆固醇运输中起着重要作用,因而减少了向细胞膜输送的胆固醇。

随后,研究团队将少突胶质细胞与神经元共培养,无论神经元携带 APOE4 或 APOE3 与否,携带 APOE4 的少突胶质细胞无法像携带 APOE3 的细胞使神经元髓鞘化。

该团队还观察到,在去世者大脑中,APOE4 携带者脑部形成的髓鞘也少于 APOE3 携带者。通过转基因方式携带 APOE4 小鼠与携带 APOE3 小鼠的情况也与去世者脑部的情况类似。

接下来,研究人员开始基于这些发现寻找干预措施,并从影响胆固醇的药物入手,包括他汀类药物和环糊精,后者是一类提高细胞清除胆固醇能力,并减少血管中的炎症反应的化合物。

研究发现,他汀类药物没有发挥什么作用;而将环糊精应用于培养皿中携带 APOE4 的少突胶质细胞后,环糊精减少了细胞内胆固醇的积累,并增加了与神经元共培养的少突胶质细胞的髓鞘形成。研究人员在携带 APOE4 基因的小鼠中同样观察到了环糊精发挥的作用。

随后,研究团队让一些携带 APOE4 基因的小鼠接受环糊精治疗,另一些则不接受治疗,并将这些老鼠进行改了两种不同的记忆测试。数据显示,相比之下,接受环糊精治疗的小鼠在这两项记忆测试中表现更好,这进一步提示髓鞘形成增加与认知改善之间存在关联。

蔡立慧认为,基于细胞类型纠正特定的脂质失调可能有助于降低 APOE4 对患阿尔茨海默病的风险。我们已经在实验室和小鼠模型中看到了恢复少突胶质细胞功能和促进髓鞘形成的方法。不过,除了少突胶质细胞,我们可能还需要找到针对小胶质细胞,星形胶质细胞和血管系统有效的临床治疗方式,方可真正对抗阿尔茨海默病。

参考资料:

1.https://www.nature.com/articles/s41586-022-05439-w

2.https://www.genengnews.com/neurological-disorders/alzheimers/alzheimers-apoe4-impairs-myelination-through-cholesterol-dysregulation/

3.https://picower.mit.edu/news/alzheimers-risk-gene-undermines-insulation-brains-wiring

编者按:本文转载自微信公众号:生辉(ID:SciPhi),作者:Susan 


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