Nat Cell Biol | 阿尔茨海默病及衰老神经元中的蛋白质稳态和溶酶体修复

摘要：衰老是阿尔茨海默病（AD）最主要的危险因素，但衰老与AD之间具体的机制尚不清楚。AD患者的脑内存在异常蛋白沉积，例如磷酸化tau蛋白和淀粉样β蛋白，这些蛋白的沉积被认为是AD的关键特征【1-3】。然而，目前尚不清楚神经元蛋白质稳态的失调是如何导致这些异常蛋白沉

撰文 | 格格

衰老是阿尔茨海默病（AD）最主要的危险因素，但衰老与AD之间具体的机制尚不清楚。AD患者的脑内存在异常蛋白沉积，例如磷酸化tau蛋白和淀粉样β蛋白，这些蛋白的沉积被认为是AD的关键特征【1-3】。然而，目前尚不清楚神经元蛋白质稳态的失调是如何导致这些异常蛋白沉积的。传统的细胞模型，例如死后脑组织或iPSC，无法有效模拟活体脑内的衰老和AD病理过程。死后脑组织也无法反映活体脑内的动态变化，而iPSC则会消除衰老对神经退行性疾病的影响。转分化神经元（tNeurons）是直接从成人体细胞转化而来的神经元，可以保留衰老的标志并表现出AD相关的易损性【4, 5】。tNeurons可以更准确地模拟活体脑内的衰老和AD病理过程，为研究神经元蛋白质稳态和溶酶体修复的缺陷提供了理想的模型。

近日，来自美国斯坦福大学生物学系的Judith Frydman和Ching-Chieh Chou研究团队合作在Nature Cell Biology杂志发表题为Proteostasis and lysosomal repair deficits in transdifferentiated neurons of Alzheimer’s disease的研究论文，该研究旨在探究神经元蛋白质稳态和溶酶体修复在衰老和AD发病机制中的作用，并发现这些缺陷与炎症细胞因子分泌和细胞死亡相关，改善溶酶体功能可以减轻AD病理。

研究人员首先从健康年轻人、老年人、AD患者和携带PSEN1突变的FAD患者中收集成纤维细胞，并通过转录因子和小分子将其转化为tNeurons。然后，他们使用免疫荧光技术检测成纤维细胞和tNeurons中DNA损伤、表观遗传标记和蛋白质稳态相关蛋白的表达。结果显示，老年人和AD患者的成纤维细胞中DNA损伤增加，表观遗传标记发生改变，蛋白质稳态受损。tNeurons保留了成纤维细胞的衰老和AD特征，例如 DNA 损伤增加、表观遗传标记改变和蛋白质稳态受损。此外，老年人和AD患者的tNeurons中，蛋白质稳态受损标志物（如 p62/SQSTM1 和泛素）的积累增加，表明蛋白质处理能力下降。最后，老年人和 AD 患者的tNeurons中，淀粉样β蛋白、磷酸化tau蛋白和TDP-43等与AD相关的蛋白沉积增加，表明蛋白质稳态下降。

研究人员使用TMT技术对健康年轻人、老年人和AD患者的tNeurons进行蛋白质组学分析，并使用GO和通路富集分析识别受衰老和AD影响的蛋白质和通路。结果显示，衰老和AD 导致tNeurons中蛋白质稳态和细胞器稳态相关通路发生改变，线粒体和突触相关蛋白的表达上调，而溶酶体通路相关蛋白的表达下调。进一步研究人员使用透射电镜分析tNeurons中溶酶体的超微结构，并使用免疫荧光技术检测溶酶体损伤相关蛋白（如CHMP2B和 galectin-3）的表达。结果显示，老年人和 AD 患者的tNeurons 中，溶酶体的大小和损伤增加，电子密度颗粒的积累增加，并且线粒体与溶酶体的接触增加。

进一步，研究人员检测了tNeurons中炎症小体相关蛋白（如NLRP3和PYCARD/ASC）的表达，并使用Luminex测量tNeurons培养基中的炎症细胞因子和趋化因子水平。结果显示，AD患者的tNeurons 中，炎症小体阳性神经元数量增加，炎症细胞因子和趋化因子水平升高。溶酶体损伤导致AD患者的tNeurons中炎症小体激活和炎症细胞因子分泌增加。改善溶酶体功能的化合物可以减少炎症细胞因子分泌，表明溶酶体功能缺陷与神经元自主炎症激活相关。

最后，研究人员探究溶酶体功能缺陷是否导致AD患者神经元中Aβ42沉积，并评估改善溶酶体功能对AD病理的影响。他们使用LLOME损伤溶酶体，并使用不同的化合物（如C381、thioperamide和NCT-504）改善溶酶体功能。然后，他们使用免疫荧光技术检测tNeurons中 Aβ42的水平，并评估细胞凋亡和caspase-3/7活化。结果显示，溶酶体损伤导致AD患者的 tNeurons中Aβ42沉积增加。改善溶酶体功能的化合物可以减少Aβ42沉积，并保护神经元免受溶酶体介导的细胞凋亡。最后，改善溶酶体功能可以减轻AD患者神经元中的细胞凋亡和aspase-3/7活化。

图一阿尔茨海默病和衰老中神经元蛋白质稳态和溶酶体修复的缺陷

总之，该研究利用从人类皮肤成纤维细胞直接转分化而来的神经元模型，揭示衰老和AD会导致神经元出现恒定性的溶酶体损伤、蛋白质稳态受损以及受损溶酶体的修复缺陷，从而导致神经元内蛋白质沉积和炎症细胞因子的分泌。这种模型系统为理解衰老和AD的分子起源以及开发针对这些疾病的潜在治疗策略提供了新的思路。

制版人：十一

参考文献

1. Kaushik, S. & Cuervo, A. M. Proteostasis and aging.Nat. Med. 21, 1406-1415 (2015).

2. Douglas, P. M. & Dillin, A. Protein homeostasis and aging in neurodegeneration.J. Cell Biol.190, 719–729 (2010).

3. Van Acker, Z. P., Bretou, M. & Annaert, W. Endo-lysosomal dysregulations and late-onset Alzheimer’s disease: impact of genetic risk factors.Mol. Neurodegener.14, 20 (2019).

4. Mertens, J. et al. Directly reprogrammed human neurons retain aging-associated transcriptomic signatures and reveal age-related nucleocytoplasmic defects.Cell Stem Cell17, 705–718 (2015).

5. Pang, Z. P. et al. Induction of human neuronal cells by defined transcription factors.Nature476, 220–223 (2011).

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