阿尔茨海默病风险基因如何破坏神经元髓鞘绝缘过程

MIT研究团队发现APOE4基因变异破坏神经元绝缘机制的分子通路

APOE4基因变异是晚发性阿尔茨海默病最主要的遗传风险因素，其破坏脑回路功能的主要方式之一，是干扰了利用脂肪鞘为神经元提供绝缘、从而优化电信号传导的过程。

麻省理工学院皮考尔学习与记忆研究所的神经科学家领导的一项新研究，提供了多方面证据，指出一条特定的分子通路参与了这种破坏过程，并利用这一发现，在实验室实验中演示了一种可以预防该破坏的干预手段。

这项研究于10月15日发表在《Cell Stem Cell》期刊上，研究显示，APOE4会导致少突胶质细胞中的“Wnt”信号通路受到抑制，而这类细胞负责为神经元提供名为髓鞘的脂肪绝缘层。

研究团队发现，当Wnt信号不足时，这些细胞会积累脂质液滴，而不是正常地将脂肪用于神经元轴突分支的髓鞘化。

当研究人员在携带APOE4的少突胶质细胞中恢复Wnt信号后，无论是在人类细胞培养物中，还是在模拟阿尔茨海默病的小鼠体内，髓鞘化都出现了回升。

该研究团队由皮考尔讲席教授李慧琰（Li-Huei Tsai）和论文第一作者、曾在蔡实验室攻读博士学位的Leyla Akay（现已获得博士学位）领导，通过多种方法发现了Wnt的关键作用，其中包括一项利用CRISPR基因编辑技术系统性敲除基因组中每一个编码蛋白质基因的筛选实验，逐一在携带APOE4的人类少突胶质细胞培养物中进行测试。

该筛选显示，当促进少突胶质细胞中Wnt活性的基因缺失时，脂质液滴会出现积累；而当抑制Wnt的基因缺失时，脂质液滴也会积累。

“这种针对中枢神经系统细胞类型中APOE4相关脂质积累的遗传修饰因子进行CRISPR筛选的概念验证非常令人兴奋，”同时担任麻省理工学院老化大脑计划（Aging Brain Initiative）主任的蔡立慧说道。

“我认为这类筛选不仅为了解导致脂质代谢缺陷的细胞通路提供了新见解，而且确实有潜力为药物开发提供新的靶点。

”

Wnt信号的缺失

2022年，由Akay、Djuna Von Maydell（现已获得博士学位）、Jose Davila-Velderrain和Joel Blanchard（也是本篇新研究的共同作者）领导的蔡实验室曾发现，APOE4会导致少突胶质细胞中的脂质液滴积累，并扰乱髓鞘化过程。

但Akay表示，这种液滴积累可能由多种原因引起。

新研究旨在深入探究其背后的分子机制。

“这项CRISPR筛选为我们提供了一种无偏倚的方式来测试每一种可能性，”Akay说。

“哪些脂质酶参与了这一过程？又有哪些上游通路可以作为靶点？”

与CRISPR筛选同步进行的是，研究团队还分析了人类少突胶质细胞培养物以及死后人脑样本中DNA的染色质可及性，在每种情况下都将携带APOE4的样本与携带中性APOE3变异的样本进行比较。

这项基于ATAC-seq数据的分析，使他们能够评估哪些基因更容易被表达，哪些基因则被锁定、无法进行转录。

染色质分析显示，在APOE4携带者中，促进Wnt信号传导的基因可及性较低。

“ATAC-seq结果与CRISPR筛选结果之间存在显著的重叠，”蔡立慧说。

“两者都指向了Wnt信号通路的失调。

”

迈向治疗方案

进一步的分析，包括在实验台上对细胞的直接观察，揭示了Wnt信号在培养的APOE4少突胶质细胞中如何受到抑制。

两种蛋白质——β-连环蛋白（beta-catenin）和GSK3b——相互竞争调控Wnt通路，前者促进该通路，后者则抑制该通路。

研究团队发现，与APOE3少突胶质细胞相比，APOE4少突胶质细胞中β-连环蛋白表达减少，而GSK3b表达过量。

随后，研究团队测试了操控GSK3b活性的干预措施。

在人类APOE3少突胶质细胞培养物中，他们发现使用一种名为Dif3的化学物质增加GSK3b会导致脂质液滴增多。

在APOE4少突胶质细胞中，他们发现使用一种名为CHIR99021的化学物质抑制GSK3b可减少液滴。

在结合了APOE4少突胶质细胞与神经元的更复杂的“类器官”培养物中，他们发现抑制GSK3b能够增加髓鞘化，并促进神经轴突的生长。

这些测试表明，抑制GSK3b可能是恢复Wnt信号传导和髓鞘化的一种概念验证性治疗策略。

作为最后一项测试，研究团队用CHIR99021对携带APOE4并经基因改造模拟阿尔茨海默病tau蛋白病理的小鼠进行了剂量治疗。

与未经治疗的对照组相比，接受治疗的小鼠在大脑海马体（这一关键的记忆形成区域）中，脂质液滴出现减少，同时髓鞘化也有所增加。

除了揭示Wnt信号受到抑制之外，CRISPR筛选和染色质分析还为Wnt缺失如何改变少突胶质细胞脂质代谢方式的分子机制，提供了关键线索。

Akay和蔡立慧表示，他们渴望对这些线索展开后续研究。

他们同样有兴趣探究GSK3b与tau蛋白磷酸化之间的关联，而tau蛋白磷酸化正是阿尔茨海默病病理的一个主要特征。

除蔡立慧、Akay和Blanchard外，论文的其他作者还包括Anna Bright、Daiyun Dong、Ethan Smith、Robert Hurt、Carles Boix、Kate Louderback、Janine Medrano、Dingcheng Sun、Haonan Lin、Oisín King、Gwyneth Welch、Hiba Nawaid、Emre Agbas、Alan Jiang、Adele Bubnys和Ji-Xin Cheng。

本研究由美国国立卫生研究院、Robert and Renee E. Belfer家族基金会、Manthripragada McManama阿尔茨海默病基金、CAMA种子基金、J. Crayton Pruitt基金会、Joseph P. DiSabato与Nancy Sakamoto，以及Freedom Together基金会提供资助。

该研究的原始数据已在开放科学框架（Open Science Framework）平台公开。

Akay和蔡立慧已就CRISPR筛选成果申请了专利。