重磅！我国科学家揭晓凝集素导致阿尔兹海默症的机制

2022-10-06

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）又称老年性痴呆，是一种进展性神经变性疾病，是近乎三分之二痴呆患者的病因。淀粉样蛋白β(Aβ)沉积形成神经斑块(NP)是阿尔茨海默病(AD)的标志。衰老、中风、糖尿病等主要非遗传危险因素促进了AD的发病，但机制尚不明确。此外，NP形成的机制还不清楚。既往研究表明凝聚素 (clusterin, CLU) 的失调与 AD 发病机制有关。CLU 是一种分泌蛋白，主要在大脑的星形胶质细胞中合成，敲除CLU能够显著减少NP的形成，但我们仍不知晓其具体机制。2022年9月23日，Signal Transduction and Targeted Therapy在线发表了首都医科大学王喆、宋伟宏及济宁医学院吴伊丽共同通讯的研究文章“Clusterin transduces Alzheimer-risk signals to amyloidogenesis”，揭示了CLU通过调控淀粉样蛋白的形成，影响阿尔兹海默症的发生/发展，为我们防治阿尔兹海默症提供了新的思路。衰老是阿尔兹海默病的关键危险因素，而既往发现糖尿病患者更容易患上阿尔茨海默病，但这两个危险因素是通过何种机制导致阿尔兹海默病还不清楚。近年来，陆续有学者发现血浆CLU浓度与AD患者脑萎缩、疾病严重程度及临床进展相关，衰老和糖尿病等AD危险因素是否通过CLU影响AD的发展进程呢？研究人员通过免疫荧光实验检测3个月和18个月野生型小鼠的大脑中CLU的表达情况，发现在3个月时，CLU仅在脑干神经元中表达，而在18个月小鼠大脑中，CLU大量聚集在皮质神经元中，同时，通过注射胰岛素受体抑制剂S961构建2型糖尿病模型小鼠，同样发现皮质神经元大量表达CLU。在衰老（a）和2型糖尿病模型（b）小鼠中，CLU大量聚集在皮质神经元中更令人惊奇的是，在中风（包括缺血性卒中和出血性卒中）、单纯疱疹病毒（HSV）感染模型中，CLU在神经元和受损区域的细胞外区域表达均显著上升，而中风和HSV感染同样是AD发病的危险因素。在缺血(MCAO)、乳酸处理（模拟中风酸性环境）、出血和HSV感染的模型小鼠大脑中，CLU在神经元和细胞外区域上调在多种AD危险因素的作用下，CLU都表现出脑内神经元表达的增加，那CLU表达上升会带来什么影响呢？研究者接下来利用syn-1启动子，特异性地在APP/PS1模型小鼠神经元中过表达人源CLU（hCLU），发现小鼠生存率显著降低，旷场实验是经典的情绪相关行为学检测实验，实验显示hCLU过表达加重了APP/PS1模型小鼠的抑郁/焦虑表现。（左）神经元中过表达hCLU降低了AD模型小鼠的生存率（右）hCLU加重了AD模型小鼠的抑郁/焦虑表现细胞外沉积大量淀粉样蛋白斑(又称神经斑块)是 AD 最公认的神经病理学特征之一。Aβ42被证明为高度疏水易于聚合,其自我聚合形成的寡聚体对 AD 神经元具有强烈的神经毒性。syn1-hCLU（神经元特异地过表达人源CLU）可以使小鼠脑内淀粉样蛋白积聚增多，并且神经斑块的面积也随之增大。syn1-hCLU促进淀粉样蛋白的形成和神经斑块面积的增大Aβ主要是由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)被β分泌酶和γ分泌酶剪切产生的。APP是一种广泛存在于神经元的跨膜糖蛋白，其中Aβ产生的经典途径是先由β分泌酶水解产生C99，再由γ分泌酶水解产生淀粉样蛋白。淀粉样蛋白的产生途径前面已经证明了CLU可以促进淀粉样蛋白的形成，但其中的分子机制还仍未清楚，所以研究者猜测CLU可以调控γ-分泌酶的活性，从而影响后者对C99的水解，正如期待中的一样，GSI（γ-分泌酶抑制剂）阻断了hCLU促进Aβ形成的作用。hCLU通过介导γ-分泌酶活性促进Aβ形成进一步通过IP实验，研究者证明了CLU可以结合C99的近膜螺旋(JH)结构域，竞争性抑制JH结构域对γ-分泌酶的阻断作用，从而活化了γ-分泌酶，实现对C99的水解。CLU与C99的JH结构域强烈结合，从而解除对γ-分泌酶的抑制AD 患者的脑神经细胞凋亡率要比正常人的高 40 倍左右，凋亡的神经元细胞遗骸会成为淀粉样蛋白的安家之所，从而形成神经斑块，因此神经细胞凋亡可能是中枢神经系统衰退的主要原因之一。通过免疫荧光实验，研究者发现过表达hCLU的神经元表现出NeuN信号的减少甚至完全消失，同时细胞凋亡信号显著增强，提示CLU可能通过凋亡参与了神经斑块的形成。过表达hCLU的神经元表现出凋亡增加使用DNase-1诱导细胞凋亡，再通过Triton X-100处理凋亡细胞，这是一种非离子型表面活性剂，可以破坏蛋白质与脂质间的相互作用，但并不使蛋白变性，也不破坏蛋白与蛋白间的连接，能够保留蛋白质的天然构象。通过质谱分析蛋白质沉淀物，发现其中含有大量神经斑块，而且CLU在其中的含量也显著增加。DNase-1诱导细胞凋亡后，CLU在神经斑块中的含量增加根据这一结果，研究团队提出了CLU依赖性Aβ沉积在凋亡细胞表面的模型，为AD患者脑内神经斑块的形成机制提供了新的解释方式。Aβ依赖CLU沉积在凋亡细胞表面，从而形成神经斑块总的来说，这项研究表明AD的主要风险因素会使CLU表达上调，CLU通过结合C99的JH结构域，活化γ-分泌酶，从而促进Aβ生成，同时，由于CLU在凋亡细胞中的积聚，Aβ可以通过CLU沉积在凋亡细胞的表面，从而促进神经斑块的形成。本研究首次揭示了CLU 促进淀粉样蛋白和神经斑块形成的分子机制，为临床治疗AD提供了重要的参考依据。文章链接：https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41392-022-01157-x