STTT：裴刚院士团队利用新型类脑器官研究APOE4对神经元等tau蛋白调控的病理机制
载脂蛋白E4(APOE4)基因是阿尔茨海默病（AD）遗传风险因素之一,通常被认为会导致各种类型的脑细胞发生广泛的病理改变。
中国科学院分子细胞科学卓越中心上海生物化学与细胞生物学研究所细胞生物学国家重点实验室的裴刚院士团队开发了一种新的工程方法来创建嵌合人脑类器官(chCOs)，以评估APOE4在神经元和星形胶质细胞中的不同作用，揭示了APOE4对神经元和星形胶质细胞tau蛋白调控的病理机制，而且还表明人脑类器官（hCOs）研究AD研究和药物开发的理想病理学模型。
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在iPSC衍生的chCO中
加速诱导星形胶质细胞
首先将星形因子NFIB和SOX9引入诱导多能干细胞(iPSC)以加速星形胶质细胞的诱导。然后将上述诱导的iPSCs与未感染的iPSCs在脑类器官的标准条件下混合共培养以产生chCOs。
接下来通过免疫荧光技术和流式细胞术评估了这些chCO和对照hCO中的星形胶质细胞分化，结果发现在chCOs中，星形胶质细胞的生成加速。
图1.通过Sox9和NFIB表达诱导人脑类器官中的星形胶质细胞
chCOs增强了神经元的
发生和神经元成熟
为了确定来自chCOs的星形胶质细胞是否能够清除神经递质，该团队测量了从D45chCOs纯化的星形胶质细胞对谷氨酸的摄取，并发现TBOA（一种兴奋性氨基酸转运蛋白的竞争性阻断剂）处理大大降低了谷氨酸的速度（图2），表明来自chCOs的星形胶质细胞能够清除神经递质。
为了分析chCO和对照hCO中的神经发生水平，研究团队使用EdU标记分裂的神经祖细胞，发现新生神经元的密度在chCOs中显着增加，表明chCOs促进了神经发生过程。
接下来通过免疫荧光染色突触前和突触后蛋白SynapsinI(SYN)和PSD95，结果表明chCOs比对照hCOs表现出更多的SYN和PSD95puncta，表明增强的星形胶质细胞数量增加了chCOs中的突触形成。
之后对神经元进行了电生理记录来比较chCOs和hCOs在神经元成熟方面的差异。以上结果表明chCOs增强了神经元的发生和神经元成熟。
图2.人脑类器官中诱导星形胶质细胞的功能分析
星形胶质细胞和神经元APOE4
提高神经元中的胆固醇和脂滴
前期结果表明星形胶质细胞几乎不出现在D45hCOs中，因此chCOs中的大多数星形胶质细胞起源于NFIB/SOX9病毒感染的iPSCs。为了解释神经元和星形胶质细胞APOE4的独特作用，该研究团队通过混合NFIB/SOX9病毒感染和未感染的APOE3或APOE4 iPSC，在神经元和星形胶质细胞中产生了四种具有不同APOE基因型的chCO。
通过免疫荧光技术对vGLUT1（谷氨酸能神经元）、GAD1（GABA能神经元）和TH（多巴胺能神经元）进行染色，分析了chCOs中神经元的特征。结果表明，chCOs中的vGLUT1阳性细胞多于GAD1阳性或TH阳性细胞。
Filipin染色结果发现单独APOE4单独作用下能够提高星形细胞或神经元的胆固醇水平，chCOs的神经元脂滴含量也有类似的结果。以上结果表明APOE4加剧了星形胶质细胞和神经元中的脂质聚集。
星形胶质细胞和神经元APOE4
对于chCOs中神经元p-tau
水平的升高是必需的
接下来，我们研究了这四种chCOs中的Aβ和tau病理学。通过对chCO的培养上清液进行ELISA分析，以及免疫荧光染色和电生理等技术，研究团队观察到含有APOE4的神经元和星形胶质细胞的chCO中神经元p-tau水平增加。然而，在其他chCOs中未检测到p-tau神经元水平的升高。
图3.APOE4星形胶质细胞和神经元的共同出现是神经元p-tau水平升高所必需的
总 结
综上所述，本研究首先将星形胶质细胞因子NFIB和SOX9引入iPSC以加速星形胶质细胞的诱导。然后将上述诱导的iPSCs与未感染的iPSCs在脑类器官的标准培养条件下混合共培养，发现星形胶质细胞早在45天就被检测到，与hCOs相比，它帮助更多的神经元在chCOs中成熟。
更有趣的是，这种方法能够生成包含具有不同基因型的神经元和星形胶质细胞的chCO，即APOE3或APOE4。然后，在chCOs中发现了星形细胞APOE4可以显着促进神经元中的脂滴形成和胆固醇积累。
最值得注意的是，该研究观察到星形胶质细胞和神经元APOE4的共同出现是提高chCOs中神经元磷酸化tau水平所必需的。该研究揭示了神经元和星形细胞APOE4对tau病理学的本质，而且还表明chCOs作为AD研究和药物发现的有价值的病理学模型。
参考文献
Huang S, Zhang Z, Cao J, Yu Y, Pei G. Chimeric cerebral organoids reveal the essentials of neuronal and astrocytic APOE4 for Alzheimer's tau pathology. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):176. Published 2022 Jun 13. doi:10.1038/s41392-022-01006-x
编译作者：Amy Yao（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）