Nat Immunol︱观点挑战! 小胶质细胞吞噬作用所介导的淀粉样斑块可能具有保护作用
以及以严谨的学术逻辑思维 探索神经科学之奥秘
撰文︱王思珍
责编︱王思珍
阿尔茨海默症（AD），俗称老年痴呆症，是一种最常见的多发于老年人群中的神经退行性疾病，起病隐袭，且病程呈慢性进行性【1】。目前尚无有效的治疗办法。AD的主要的病理变化特征为大脑皮层萎缩，并伴有β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积、神经纤维缠结 、大量记忆性神经元数目减少、以及老年斑的形成【2】。
TAM家族（由Tyro3、Axl和Mer组成）是受体酪氨酸激酶的一个亚家族，目前已被大家所熟知是，TAM家族在抗凋亡、致癌和抗炎症中发挥重要作用【3】。Axl和Mer（基因名为Mertk）在巨噬细胞和其他免疫细胞中发挥两种关键功能：一、它们是吞噬凋亡细胞所必需的【4-5】；二、在树突状细胞和巨噬细胞中作为Toll样和细胞因子受体信号的负反馈抑制剂【3, 6】。中枢神经系统的小胶质细胞中也存在这两种关键功能【7】。而小胶质细胞与AD等神经退行性疾病又有着千丝万缕的联系【8】。然而，Axl和Mer在这些疾病中的作用，目前未知。
2021年4月15日，美国索尔克生物研究所分子神经生物学实验室的Greg Lemke教授实验室在Nature Immunology上发表了题目为Microglia use TAM receptors to detect and engulf amyloid β plaques的最新论文，报道了TAM受体激酶Axl和Mer对于正常小胶质细胞对Aβ斑块的识别、应答和吞噬是必需的；惊奇的是，TAM介导的小胶质细胞对Aβ斑块吞噬作用，并没有减少Aβ斑块，而是促进了致密核斑块的形成，这种致密核斑块可能有保护作用。
首先，作者检测到，在年长AD小鼠模型APP/PS1的小胶质细胞中，Axl蛋白水平显著升高，且这种升高与Aβ斑块的形成（沉积）密切相关，特别是在有Aβ斑块的小胶质细胞中，Axl蛋白水平升高更为强烈，Mer也有类似的但较弱的上升（已经研究表明，Tyro在小胶质细胞中无表达【9】而高表达于神经元【10】）（图1）。而且，TAM家族信号通路的必要成分，即受体Axl、配体Gas6、辅助配体磷脂酰丝氨酸（PtdSer）的蛋白表达则会都会特异性地在AD的Aβ斑块上和周边上调，而AD小胶质细胞中特异性的双敲除Axl和Mertk则无Aβ斑块的形成（图2），Aβ斑块可以被PtdSer和Gas6所修饰（图2）。PtdSer是凋亡细胞的一个最重要、最常见的凋亡标志之一【11】。
图1 TAM受体蛋白水平上调与斑块密切相关
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
图2 Gas6和磷脂酰丝氨酸修饰所有Aβ斑块
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
接着，为了全面了解TAM信号通路如何影响有斑块和无斑块的小胶质细胞中的基因表达谱，作者进行了在AD背景下（即在APP/PS1鼠中）的转录组（即单细胞RNA测序）分析，结果显示了9个免疫细胞类群，其中小胶质细胞类群占主导。进一步分析显示了7个小胶质细胞类群（编号0-6），类群0-2、3-4、5-6分别为静息（未激活）状态、半疾病（即半激活）状态、及全疾病（全激活）状态的小胶质细胞，Mertk富集在所有类群中，而Axl则主要在类群4-6（图3a-b）。分析也表明，同样在AD背景下，双敲Axl和Mertk不会影响小胶质细胞整体转录组的变化（无斑块类群0-6 vs 有斑块类群0-6），也不影响神经炎症水平（有/无斑块类群0 vs 有/无斑块类群5）（图3c-e）。
图3 TAM对AD小胶质细胞转录组的调控
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
那么，TAM功能异常是否会影响AD中小胶质细胞与淀粉样斑块之间的相互作用呢？小鼠活体双光子成像显示，在AD背景下，与对照组（未双敲）相比，在双敲除Axl和Mertk组中，吞噬Aβ斑块的小胶质细胞的数量要少得多，也就是说，很多斑块并未与小胶质细胞有接触，而且小胶质细胞更多呈静息形态，运动和小胶质细胞增生也都变得迟钝（通常在AD中靠近斑块处有小胶质细胞的增值【12】）（图4）。这些结果表明，TAM缺陷（即双敲）的小胶质细胞在探测、结合和响应淀粉样斑块的能力上明显不足。那么，为什么呢？
图4 小胶质细胞利用TAM受体Axl和Mer对Aβ斑块探测、参与和应答
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
淀粉样蛋白斑块有多种不同的形式，其中以“松散型”斑块和“致密核”斑块（dense-core plaques）两种最为常见，并且都被普遍认为是由过量产生的淀粉样前体蛋白（APP）而自发形成的【13】。作者首先发现，在AD背景下，缺失TAM受体Axl和Mer（即双敲Axl和Mertk）的小胶质细胞不能有效吞噬Aβ斑块（图5a-b）。
图5 TAM缺陷的小胶质细胞既不能吞噬斑块也不能塑造斑块
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
典型地，淀粉样斑块通常被营养不良的神经元的膜所包围【14】，这种膜可以被小胶质细胞的吞噬活性所塑造，因此可以用自噬和内吞酶体囊泡等的特定蛋白来标记【15】，从而来检测小胶质细胞是否有吞噬斑块。其次发现，在未双敲Axl和Mertk的AD小鼠中，Aβ斑块通常更致密、染色更明亮；而在双敲AD小鼠中，Aβ斑块更弥散、染色更弱，且吞噬活性膜所占的面积要大得多（图5c-e）。
再其次作者发现，当小胶质细胞吞噬掉松散形斑块后，会将这些Aβ淀粉样蛋白转移到一个高度酸性溶酶体内，并将其转化为致密的聚集物然后排出，形成致密核斑块，借助这种方式，小胶质细胞得以清除细胞之间的碎片，作为应对神经炎性和神经退化的一种良性补偿。
总之，上述三部分结果表明，小胶质细胞对淀粉样斑块的识别和吞噬依赖于小胶质细胞中的TAM受体，换言之，TAM受体缺失，淀粉样斑块便不能被小胶质细胞所识、吞噬，相反，则会促进致密核Aβ斑块的沉积（形成）（图6）。有意思的是，这些结果也提示了一个新观点，即这类致密核斑块并非自发形成，它们可能由小胶质细胞所介导，属于一种保护机制。
图6 TAM介导的小胶质细胞对Aβ斑块识别和吞噬、以及对Aβ斑块沉积的促进
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
目前，人们认为小胶质细胞吞噬作用可以抑制斑块的生长，缓解AD进展【8】。延续上述结论，对致密核Aβ斑块染色的半定量实验结果显示，从最初的斑块出现到大量沉积，双敲Axl和Mertk的AD小鼠皮质区域的致密核型斑块要少得多，小鼠月龄为12个月时，皮质致密核斑块密度降低了35%，海马区也出现了类似的降低（图7）。这种降低并不是因为Aβ肽产生的变少了，而是因Axl和Mertk的双敲所导致。其实，单敲Mertk就几乎可以减轻12个月时皮质和海马中的所有致密核斑块负担，而单敲Axl时现象并不明显。最后，作者发现，与未双敲组相比，在双敲Axl和Mertk的AD小鼠海马内，兴奋性突触发生降低趋势无变化，说明双敲组和未双敲组的小鼠突触连接无差异，突触功能相似；而在行为学试验中，双敲AD小鼠不能感知恐惧，但恐惧记忆无显著差异。这也进一步提示，由TAM受体缺失所介导的小胶质细胞的吞噬作用所形成的致密核斑块具有保护作用。
（图片引自：Huang, Y., Happonen, K.E., Burrola, P.G. et al. Nat Immunol 2021; 22: 586–594）
参考文献（上下滑动查看）
【1】2020 Alzheimer’s disease facts and figures. Alzheimer’s Dement 2020;16:391-460.
【2】Sierksma et al., Science 2020; 370: 61–66.
【3】 Lemke, G. Biology of the TAM receptors. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a009076 (2013).
【4】3. Lemke, G. How macrophages deal with death. Nat. Rev. Immunol. 19, 539–549 (2019).
【5】Zagórska, A., Través, P. G., Lew, E. D., Dransfield, I. & Lemke, G. Diversification of TAM receptor tyrosine kinase function. Nat. Immunol. 15, 920–928 (2014).
【6】Rothlin, C. V., Ghosh, S., Zuniga, E. I., Oldstone, M. B. & Lemke, G. TAM receptors are pleiotropic inhibitors of the innate immune response. Cell 131, 1124–1136 (2007)
【7】 Fourgeaud, L. et al. TAM receptors regulate multiple features of microglial physiology. Nature 532, 240–244 (2016).
【8】Long, J. M. & Holtzman, D. M. Alzheimer disease: an update on pathobiology and treatment strategies. Cell 179, 312–339 (2019).
【9】The ImmGen Consortium. Open-source ImmGen: mononuclear phagocytes. Nat. Immunol. 17, 741 (2016).
【10】Lai, C. & Lemke, G. An extended family of protein-tyrosine kinase genes differentially expressed in the vertebrate nervous system. Neuron 6, 691–704 (1991).
【11】Lew, E. D. et al. Differential TAM receptor–ligand–phospholipid interactions delimit differential TAM bioactivities. Elife 3, e03385 (2014).
【12】Wang, Y. et al. TREM2 lipid sensing sustains the microglial response in an Alzheimer’s disease model. Cell 160, 1061–1071 (2015).
【13】Rak M, Del Bigio MR, Mai S, Westaway D, Gough K. Dense-core and diffuse Abeta plaques in TgCRND8 mice studied with synchrotron FTIR microspectroscopy. Biopolymers. 2007 Nov;87(4):207-17. doi: 10.1002/bip.20820. PMID: 17680701.
【14】Condello, C., Yuan, P., Schain, A. & Grutzendler, J. Microglia constitute a barrier that prevents neurotoxic protofibrillar Aβ42 hotspots around plaques. Nat. Commun. 6, 6176 (2015).
【15】Hassiotis, S. et al. Lysosomal LAMP1 immunoreactivity exists in both diffuse and neuritic amyloid plaques in the human hippocampus. Eur. J. Neurosci. 47, 1043–1053 (2018).
制版︱王思珍
本文完