Sci Adv︱重要发现！钙稳态调节蛋白Calhm2调控小胶质细胞激活以及参与阿尔茨海默病进程

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撰文︱程金波

责编︱王思珍

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种最常见的神经退行性疾病，临床主要表现为渐进性认知功能障碍、精神障碍和行为异常等症状，其患病率随着年龄的增高而不断增加。β-淀粉样蛋白（β-Amyloid，Aβ）的过度沉积和Tau蛋白的过度磷酸化是AD重要的病理特征，也被认为是造成神经损伤的重要原因。这些过程均与钙稳态密切相关，因而逐渐形成了AD的钙稳态假说【1, 2】。然而，目前尚不清楚钙稳态在小胶质细胞激活以及神经炎症中的作用。

2021年8月25日，军事医学研究院的袁增强教授、中央民族大学的程金波副教授联合团队在Science Advances在线发表了题为“Microglial Calhm2 regulates neuroinflammation and contributes to Alzheimer’s disease pathology”的研究论文，揭示了Calhm2在小胶质细胞激活中的重要作用，并为靶向小胶质细胞介导的包括AD在内的神经炎症相关疾病提供了潜在治疗靶点。中央民族大学的程金波副教授和青岛大学的董渊博士为论文共同第一作者。

近年来，钙稳态调节蛋白在AD中的作用受到越来越多的关注。该家族共包括3个成员，分别是Calhm1， Calhm2以及Calhm3，其中Calhm1可以调控神经元的钙稳态、Aβ产生、神经细胞易感性等，其突变体P86L与AD的发生密切相关【2】。团队前期研究发现Calhm1蛋白并不在小鼠脑内表达，敲除小鼠也未表现出明显的认知损伤【2】 ，后续研究显示Calhm1主要表达在II型味蕾细胞并调控ATP的释放和味觉【3】。Calhm2广泛表达在小鼠脑内，Calhm2基因敲除可以抑制星形胶质细胞ATP释放并引起小鼠出现抑郁样表型【4】。目前Calhm2的蛋白结构已被解析【5, 6】，但Calhm2在AD中的作用却并不清楚。

在本项研究中，首先，研究人员发现，钙稳态调节蛋白家族中Calhm2在临床AD患者以及AD动物模型小鼠中显著上升（图1），提示Calhm2可能参与AD的发生发展。

图1. Calhm2在AD患者以及动物模型中显著上升

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

因此，研究人员进一步利用Calhm2基因全身敲除小鼠、并结合AD动物模型（5×FAD），发现Calhm2全身敲除显著改善小鼠的认知损伤，显著降低Aβ沉积、胶质细胞活化以及神经炎症水平。然而，Calhm2敲除并不影响Aβ的生成，同时研究人员利用神经元条件性Calhm2基因敲除小鼠（Calhm2^{flox/flox;CamKIIα-iCre}）结合5×FAD 模型小鼠，发现神经元条件性Calhm2敲除并不影响Aβ生成和沉积（图2）。

图2. Calhm2敲除显著改善AD模型小鼠的空间认知损伤

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

接下来，研究人员利用小胶质细胞条件性Calhm2基因敲除小鼠（Calhm2^{flox/flox:Cx3cr1-CreER}），结合AD动物模型（5×FAD），发现小胶质细胞中Calhm2缺失显著降低小鼠脑内Aβ沉积以及神经炎症水平，显著改善AD模型小鼠的认知障碍，提示Calhm2在小胶质细胞激活中发挥重要作用。综合结果也表明了Calhm2的表达和功能发挥的细胞类型特异性（图3）。

图3. 小胶质细胞特异性Calhm2敲除显著改善AD模型小鼠的空间认知损伤

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

为了进一步阐明Calhm2基因在小胶质细胞激活中的作用机制，研究人员通过对小鼠脑组织进行单细胞解离，分选得到小胶质细胞并进行了微量基因组测序。生信分析结果显示，小胶质细胞Calhm2敲除显著降低NF-κB信号通路、ROS通路、IL-6/JAK/STAT3通路、炎症因子水平等，提示Calhm2敲除显著抑制了小胶质细胞的炎症激活能力（图4）。

图4. 小胶质细胞特异性Calhm2敲除显著降低其炎症激活能力

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

为了进一步明确Calhm2在小胶质细胞炎症激活中的作用，研究人员利用Calhm2全身敲除小鼠和小胶质细胞条件性Calhm2敲除小鼠 （Calhm2^{flox/flox:Cx3cr1-CreER}），构建了细菌脂多糖LPS腹腔注射的急性炎症模型。结果显示，Calhm2基因全身敲除和小胶质细胞条件性敲除都可以显著抑制脑内神经炎症水平以及小胶质细胞活化（图5）。

图5. Calhm2敲除显著抑制LPS引起的神经炎症以及小胶质细胞活化

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

在寻找Calhm2作用于小胶质细胞激活的机制方面，利用钙信号检测方法，研究人员发现Calhm2敲除显著抑制了小胶质细胞的钙内流；通过免疫共沉淀技术发现Calhm2可以与P2X7相互作用，P2X7一种在小胶质细胞中高表达的腺苷受体，在AD中起重要作用；同时Calhm2敲除显著降低细胞膜P2X7的蛋白水平，显著抑制P2X7的膜电流以及下游NLRP3炎症小体的活化，提示Calhm2可以调控小胶质细胞的钙稳态，以及P2X7介导的NLRP3炎症小体的活化（图6）。

图6.Calhm2敲除显著抑制钙内流以及P2X7的膜电流

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

图7. Calhm2调控小胶质细胞活化以及参与AD的模式图

（图片引自：Cheng et al., Sci Adv 2021; 7: eabe3600）

文章结论与讨论，启发与展望

这项研究通过AD患者样本以及AD动物模型，结合Calhm2全身敲除小鼠和条件性敲除小鼠，明确了Calhm2在小胶质细胞激活中的重要作用，为靶向小胶质细胞激活以及神经炎症提供了重要靶点（图7）。

此外，Calhm2介导了小胶质细胞的钙内流，同时Calhm2可以与P2X7相互作用，Calhm2敲除显著抑制P2X7的功能，提示Calhm2介导的钙稳态在小胶质细胞激活中发挥关键作用。然而Calhm2在AD患者以及AD模型动物中表达上调的机制还不清楚，另外Calhm2调控P2X7的作用机制也亟需深入研究。

总之，本研究进一步丰富和拓展了AD领域中的钙稳态理论，揭示了神经炎症发生的分子机制，为靶向神经炎症治疗AD提供了潜在干预策略（图7）。

原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabe3600

该论文的通讯作者是中央民族大学的程金波副教授、军事医学研究院的袁增强研究员。第一作者为中央民族大学的程金波副教授、青岛大学的董渊博士，该项工作得到上海交通大学的于烨教授、中国科学院微生物研究所的王亮博士等的大力帮助。该项工作受到国家自然科学基金重点项目以及面上项目等项目的联合资助。

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参考文献（上下滑动查看）  

【1】Khachaturian, Z.S., Calcium, membranes, aging, and Alzheimer's disease. Introduction and overview. Ann N Y Acad Sci, 1989. 568: p. 1-4.

【2】Alzheimer's Association Calcium Hypothesis, W., Calcium Hypothesis of Alzheimer's disease and

brain aging: A framework for integrating new evidence into a comprehensive theory of pathogenesis. Alzheimers Dement, 2017. 13(2): p. 178-182 e17.

【3】Dreses-Werringloer, U., et al., A polymorphism in CALHM1 influences Ca2+ homeostasis, Abeta levels, and Alzheimer's disease risk. Cell, 2008. 133(7): p. 1149-61.

【4】Wu, J., et al., Generation of Calhm1 knockout mouse and characterization of calhm1 gene expression. Protein Cell, 2012. 3(6): p. 470-80.

【5】Taruno, A., et al., CALHM1 ion channel mediates purinergic neurotransmission of sweet, bitter and umami tastes. Nature, 2013. 495(7440): p. 223-6.

【6】Jun, M., et al., Calhm2 governs astrocytic ATP releasing in the development of depression-like behaviors. Mol Psychiatry, 2017(11): p. 229-238.

【7】Choi, W., et al., The structures and gating mechanism of human calcium homeostasis modulator 2. Nature, 2019. 576(7785): p. 163-167.

【8】Syrjanen, J.L., et al., Structure and assembly of calcium homeostasis modulator proteins. Nat Struct Mol Biol, 2020. 27(2): p. 150-159.

制版︱王思珍

本文完