【一起读文献】Biol Psychiatry：阻塞性睡眠呼吸暂停（CIH）促进Tau病理、突触损伤和AD样记忆障碍

导

读

阻塞性睡眠呼吸暂停，以睡眠碎片和慢性间歇性缺氧(CIH)为特征，是阿尔茨海默病(AD)进展的危险因素。最近的流行病学研究指出，在患有阻塞性睡眠呼吸暂停的老年人中，CIH是发展认知功能减退和AD的预测变量之一。然而，确切的潜在机制尚未阐明。Biological Psychiatry期刊近期发表了题为《Chronic Intermittent Hypoxia Enhances Pathological Tau Seeding, Propagation, and Accumulation and Exacerbates Alzheimer like  Memory and Synaptic Plasticity Deficits and Molecular Signatures》的研究论文，作者团队在P301S人突变型tau鼠AD模型及相关tau病理模型中，评价CIH对人病理性“种子”tau的植入、增殖和积聚、认知、突触可塑性、神经元网络兴奋性和基因表达谱的影响。研究发现CIH可显著增强病理性“种子”tau的植入，并在P301S小鼠中扩散到连接的大脑回路，以及增加了磷酸化tau的负荷。除此以外，CIH加剧了P301S小鼠的记忆和突触可塑性缺陷，而且CIH也加重了P301S小鼠AD相关的致病分子信号。但是，CIH对小鼠癫痫敏感性和网络兴奋性无明显影响。研究人员认为，CIH诱导的病理性tau植入增加，以及其他AD相关损伤的扩散和恶化，为CIH和阻塞性睡眠呼吸暂停在AD发病机制中的作用提供了新的见解。

Part.01

CIH促进病理性人Tau蛋白在P301S小鼠体内植入和扩散

在注射AD p-tau蛋白8周后，在注射了AD p-tau蛋白的P301S小鼠同侧CA1区可见强烈的高强度AT8+染色（图1D）。接种AT8+高强度胞体树突tau蛋白谱也呈硫代黄素-S阳性（图1E）。这些数据证实，AD p-tau具有接种活性，早在4月龄P301S小鼠注射后8周便可导致NFTs。值得注意的是，与正常饲养的对照小鼠相比，CIH暴露显著增加了AD p-tau注射小鼠同侧海马的NFTs（图1F），表明CIH增强了tau的植入。

为了量化病理性tau蛋白扩散到注射部位远处脑区，对同侧、对侧海马以及全脑的tau蛋白病理表现进行对比。在注射生理盐水的小鼠中仅发现少数AT8+NFTs，生理盐水-P301S normoxia组同侧和对侧海马及全脑之间无差异（图1D，F）。相比之下，在正常和CIH暴露的AD p-tau注射小鼠中均观察到更多数量的AT8+NFTs，而与AD p-tau注射对侧相比，在同侧则可观察到更多数量的NFTs，表明病理性tau的成功植入（图1D，F，G）。在注射AD p-tau的小鼠对侧海马中发现AT8+NFTs显著高于注射生理盐水的小鼠（图1D，F）。注射AD p-tau蛋白的小鼠同侧和对侧海马（图1F）以及同侧全脑（图1G）的NFTs数量均为注射生理盐水小鼠的数倍，提示AD p-tau被注射部位的神经元摄取，同侧海马接种神经元的tau病理扩散到对侧海马。在CIH暴露的P301S小鼠中，注射AD p-tau的对侧海马AT8+NFT的数量显著高于正常对照组注射AD p-tau的P301S小鼠。并且，可观察到脑出血后对侧海马的tau扩散显著增加时，对侧大脑半球的tau扩散并未达到显著水平，这可能归因于从注射人tau到评估tau扩散的时间较短(8周)。与常氧饲养的P301S小鼠相比，CIH暴露的P301S小鼠同侧和对侧齿状回AT8+神经元的强度显著增加(图1H，I)。总体来说，CIH暴露不仅增加了AD p-tau的植入，而且促进了P301S小鼠中病理性tau的增殖。

图1. CIH暴露可增加病理性tau在P301S小鼠中的植入和传播

Part.02

CIH加重P301S小鼠的认知障碍，并诱导WT小鼠的认知缺陷以及P301S小鼠的P-tau蛋白负荷增加

在ORD记忆任务中，所有组小鼠在训练阶段平均花费相同的时间探索两个相似的物体（图2A，B）。在试验阶段(试验间隔24小时；长期记忆[LTM])，暴露于CIH的6至6.5月龄WT小鼠表现出明显的新颖性偏好(辨别指数[DI]，58.5%)，而与常氧饲养的年龄匹配的WT对照组小鼠(DI，75.2%)相比(图2B)，表明这些小鼠存在LTM缺陷。如前所述，与WT-N组相比，P301S-N小鼠表现出明显的发作性LTM缺陷(DI，59.5%)(图2B)。值得注意的是，P301S-CIH小鼠表现出低于机会水平的表现，在熟悉的目标区停留的时间更长(DI，44.03%)，并且与P301S-N组相比显著受损(图2B)。

进一步评估CIH对P301S和WT小鼠p-tau蛋白的影响(图2C-F)。Tau是一种神经元微管相关蛋白，在微管组装、稳定和轴突运输中起重要作用。在阿尔茨海默病和相关的肌萎缩侧索硬化症中，存在tau的异常过度磷酸化，从而导致tau与微管的结合减少，随后聚集为NFT和神经变性。使用磷酸化特异性抗体AT8 (Ser202/Thr205)、PHF1 (pSer396/pSer404)、AT180 (PThr231)和pSer199；以及识别人和小鼠tau的Tau5和人tau特异性抗体HT7，研究CIH对p-tau和总tau的影响。发现P301S-N小鼠的总tau蛋白(Tau5)含量明显高于WTN小鼠(图2C，D)，与突变的人类tau过表达小鼠模型所预期的一致。在P301S小鼠中存在人tau，在WT小鼠中则完全缺失，进一步证实了这一点(图2C，D)。暴露CIH对P301S小鼠的总tau和人tau水平没有影响(图2C，D)；还发现6到6.5个月大的P301S小鼠与WT对照组小鼠相比，p-tau(AT8)增加(图2C，D)；CIH对WT小鼠p-tau的表达水平没有影响(图2C，D)；但暴露于CIH的P301S小鼠与P301S-N小鼠相比，p-tau的表达显著增加(图2C，D)。而且，与P301S-N小鼠相比，暴露于CIH的P301S小鼠的p-tau表达显著增加(图2E，F)。然而，未见与PHF1 (pSer396/pSer404)、AT180 (PThr231) 和 pSer199(图2C，D)之间的p-tau水平以及CIH暴露后可溶性和不溶性组分中总tau水平出现任何显著差异(数据未显示)。

图2. CIH可加重P301S小鼠发作性长期记忆的损害，并增加p-tau负荷

Part.03

CIH加重P301S小鼠小胶质细胞活化及诱导WT小鼠小胶质细胞活化

有研究表明，AD中的小胶质细胞与NFT非常接近，并且能够吞噬病理性tau进行激活。评估CIH对P301S和WT小鼠小胶质细胞活化的影响(图3A，B)，发现与WT-N和P301S-N小鼠相比，暴露于CIH的WT和P301S小鼠的CD68表达显著增加(图3B)。小胶质细胞的形态表型已被证明与小胶质细胞激活状态有关，进行Sholl分析以测量小胶质细胞的复杂性(图3C)，发现与P301S-N小鼠相比，暴露于CIH的P301S小鼠的小胶质细胞复杂性显著降低(图3C)。

图3. CIH可加剧P301S小鼠小胶质细胞活化，诱导WT小鼠小胶质细胞活化

Part.04

CIH加重P301S小鼠短期和长期突触可塑性缺陷

研究CIH对P301S和WT小鼠突触可塑性的影响(图4A-D)。6月龄的P301S小鼠突触可塑性受损已有报道，于是研究CIH对突触前介导的一种短期形式的突触可塑性的影响，即双脉冲易化(PPF)。与WT对照组小鼠相比，P301S小鼠的PPF存在缺陷(图4C)(100ms刺激间隔，p=0.048)；CIH暴露进一步加剧了P301S小鼠的这种缺陷(图4C)(100ms刺激间隔)。长时程增强(LTP)是突触可塑性的一种持久形式，由Theta Burst刺激(TBS)CA1的Schaffer侧支突触诱导，与WT-N小鼠相比，P301S-N小鼠在诱导和维持方面显示出损伤的趋势(图4D)(LTP诱导，TBS后立即诱导，时间=0-10min；LTP维持，TBS后时间=50-60min)。CIH可进一步加剧P301S小鼠LTP维持的缺陷(图4D)。提示CIH暴露可加重P301S小鼠突触可塑性缺陷。

图4.CIH加重了P301S小鼠的突触可塑性缺陷

Part.05

CIH加重P301S和WT小鼠的AD相关分子特征

WT小鼠暴露于CIH改变了158个基因的表达 (图5Aa)。从差异表达基因(DEG)(Invenuity Pathway Analysis Tool，Chiagen，Hilden，德国)中确定的TOP通路与未折叠蛋白反应、内质网(ER)应激、CDK5信号转导和谷氨酸受体信号转导通路相关（图5Ab）。在P301S小鼠中暴露CIH改变了334个基因的表达 (图5Ba)。DEG分析确定的TOP通路与线粒体功能障碍、Wnt/b-catenin信号、ERK5（细胞外信号调节激酶5）信号、氧化磷酸化和sirtuin信号有关（图5Bb）。在无阈值的情况下测量来自P301S和WT小鼠的DEG在常氧和CIH中的全基因组表达变化的相似性，使用RRHO方法（将不同class样本的基因表达谱进行排序，然后利用超几何分布迭代计算所有组合的P值）进行分析。分层热图显示了四个象限，显示了上调和下调基因所有组合中两个数据集之间的富集重叠。右上象限显示两项研究中下调的基因重叠。左下象限显示两项研究中上调的基因重叠。右下和左上象限分别代表一个下调和另一个上调以及一个上调和另一个下调的基因重叠。仅在一致的基因表达变化中观察到显著重叠（图5 C，D）。来自这种重叠的基因也映射到调节蛋白稳态和线粒体功能的通路，这些通路负责P301S小鼠的致病信号（图5E）。这些数据表明，WT小鼠的CIH暴露引起了P301S小鼠负责致病信号的相同基因的失调；CIH暴露加剧了P301S小鼠中的这种致病信号。

图5. CIH诱导WT小鼠内质网和未折叠蛋白答应激反应通路并加剧P301S小鼠致病基因表达

与CIH暴露的WT小鼠相比，CIH暴露P301S小鼠中富集的基因表达通路（图6Ba,b）与常氧条件下WT小鼠相比，P301S小鼠中发现的致病信号通路相似（图6Aa,b），说明CIH加剧了P301S小鼠海马的致病信号。此外，评估暴露于CIH的WT小鼠和P301S小鼠的DEG的无阈值重叠也导致显著的重叠，也仅导致一致基因表达变化的显著重叠（图6 C，D）。来自这种重叠的基因映射到调节蛋白稳态、线粒体功能和突触形成的通路，类似于在WT和P301S小鼠中观察到的CIH暴露的重叠(图6E)。这些结果进一步强调了在WT小鼠中发生的类似的基因表达变化，这些基因表达变化与P301S小鼠的致病信号有关，而CIH暴露加剧了P301S小鼠的这种信号传递。

图6.  WT小鼠暴露于CIH后显示基因表达的变化与P301S小鼠相似

Part.06

小结

该研究发现CIH可促进病理性人类tau蛋白的植入、增殖和积聚，加剧tau蛋白小鼠模型中AD样记忆/突触可塑性缺陷和基因表达谱。CIH诱导的tau蛋白过度磷酸化可能是CIH相关的tau蛋白扩散增加的可能机制；此外，p-tau和tau蛋白扩散的增加可能导致突触可塑性和记忆缺陷。近年来，睡眠障碍（包括睡眠剥夺、睡眠-觉醒周期功能障碍和阻塞性睡眠呼吸暂停）已被确定为AD风险/进展的重要促成因素，在此背景下，研究提供了关于阻塞性睡眠呼吸暂停相关CIH在加重AD样神经纤维病理和相关缺陷中作用的重要数据。更重要的是，与CIH作用相关的几种分子介质和信号通路已得到确定，这些分子靶点经过进一步评估，并了解其在阻塞性睡眠呼吸暂停相关CIH和AD痴呆共同发病机制中的作用，有望开发潜在的治疗策略。

精读原文链接：

Kazim SF, Sharma A, Saroja SR, Seo JH, Larson CS, Ramakrishnan A, Wang M, Blitzer RD, Shen L, Peña CJ, Crary JF, Shimoda LA, Zhang B, Nestler EJ, Pereira AC. Chronic Intermittent Hypoxia Enhances Pathological Tau Seeding, Propagation, and Accumulation and Exacerbates Alzheimer-like Memory and Synaptic Plasticity Deficits and Molecular Signatures. Biol Psychiatry. 2021 Mar 24:S0006-3223(21)01178-1. doi: 10.1016/j.biopsych.2021.02.973. 

编 译  /  周   煦

校 审  /  梁 春 梅 

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