Aging Cell | 李书鹏/杨细飞等研究揭示脂联素通过激活自噬-溶酶体通路减轻阿尔茨海默病样病变

撰文︱何开武

责编︱王思珍

越来越多的研究表明，阿尔茨海默病（AD）的早期改变与多种危险因素有关，其中包括高水平的胰岛素抵抗、糖脂代谢异常和氧化应激[1, 2]。β-淀粉样蛋白（Aβ）累积可能削弱胰岛素信号传导，而胰岛素调节Aβ的转运、释放和Aβ介导的突触丢失[3, 4]，支持胰岛素信号传导和Aβ代谢之间的强关联。脂联素（adiponectin，APN）被认为是外周糖脂代谢的调节者，在不同的病理条件下具有胰岛素增敏[5]、抗氧化[6]和抗炎[7]作用。目前对APN在中枢神经系统中的作用研究还不够全面。然而，脂联素受体（AdipoR1和AdipoR2）在大脑的海马、皮层和下丘脑中均发现存在高表达的情况[8]。AD患者的脑脊液和脑组织中也发现低水平的APN[9]，提示APN可能参与了脑功能的调控。此外，APN缺陷小鼠表现出认知障碍[10]和抑郁样行为[11]，提示APN在改善认知功能中的作用。最近的一项研究将5xFAD小鼠与APN KO小鼠杂交，产生5xFAD*APN KO小鼠，发现Aβ沉积增加了神经炎症和认知障碍，可通过脂联素受体激动剂AdipoRon（AR）治疗逆转[9]。然而，APN缺乏加速AD样病变的潜在机制，AR如何挽救这些，以及它们与胰岛素信号转导的关系仍有待研究。

2021年11月14日，由北京大学深圳研究生院的李书鹏课题组和深圳市疾病预防控制中心的杨细飞课题组在Aging Cell上合作发了表题为“Adiponectin alleviated Alzheimer-like pathologies via autophagy-lysosomal activation”的研究论文，提出了自噬-溶酶体通路在APN调控Aβ病理中的关键作用。何开武为论文第一作者，李书鹏、杨细飞和余治健为论文共同通讯作者。在此项研究中，作者发现，在APN缺失的5xFAD小鼠中存在更严重的认知损害和Aβ病理，AR（一种APN的类似物）补充则能逆转上述变化。进一步的机制研究表明，APN是Aβ沉积及其相关病理的负调控因子。它以自噬和溶酶体信号为靶点，为AD的治疗提供了一条新的途径。

首先，为了明确APN水平与痴呆的相关性，研究人员检测了来自正常人群和痴呆人群血浆样本中APN的含量，结果提示痴呆组中APN的水平显著低于正常对照组。此外，血浆中APN的水平与临床痴呆评级（CDR）或简易精神状态量表（MMSE）评分之间存在显著的线性相关性，表明APN与AD之间存在着关键联系。有趣的是，这种相关性也在小鼠中被发现。而且，随着疾病的进展，APN水平的降低会加快（图1）。这些结果共同证明了APN水平与痴呆进展呈负相关，并且这些变化在小鼠和人类病理状态之间保持着一致性。

图1 APN与痴呆的相关性

（图源：He et al., Aging Cell, 2021）

先前的研究表明，APN缺失会加速Aβ的沉积[9, 10]；然而，其机制在很大程度上尚不清楚。在这里，研究人员通过小鼠杂交的方法构建了一种APN完全缺失的5xFAD小鼠，并检测了涉及Aβ产量的关键因子（如APP、BACE1、ADAM10和IDE）的表达，结果显示，上述因子在APN缺失或者不缺失的5xFAD小鼠组间没有实质性的差异。而免疫组化的结果提示，与5xFAD小鼠相比，5xFAD*APN KO小鼠的皮质、海马和杏仁核中的Aβ斑块积聚增多（图1）。这些结果表明，APN缺失可加速Aβ的沉积，而不会影响5xFAD小鼠APP的表达和加工。接着，研究人员评估了APN缺失对AD认知障碍的影响。小鼠依次接受新物体识别、Y型迷宫和水迷宫。结果显示，与WT小鼠相比，APN缺乏加重了5xFAD小鼠的记忆缺陷。补充AR（一种APN的类似物）则可以挽救5xFAD*APN KO小鼠的记忆缺陷和Aβ病理（图2）。进一步地，体外实验也证实AR处理显著降低了N2a/APPswe细胞中Aβ1-42/Aβ1-40的比率，这一结果支持了APN在Aβ积累中的因果效应（图2）。

图2 AR处理降低了Aβ沉积和认知损伤

（图源：He et al., Aging Cell, 2021）

为了研究APN缺失在AD中的可能作用和潜在机制，研究人员通过蛋白质组学的方法筛选出趋势上进一步上调或者进一步下调的两簇蛋白进行生物信息学分析。结果表明，与5xFAD小鼠相比，5xFAD*APN KO小鼠脑组织中的神经元分化过程、神经发生、蛋白水解、细胞死亡、自噬和内吞作用之间存在更高的连接性（图3），这表明上述相关过程可能在APN缺失加重认知障碍的基础上发挥关键作用。

图3 三组小鼠海马蛋白表达谱变化

（图源：He et al., Aging Cell, 2021）

以前的报告显示，自噬对于消除Aβ毒素积累至关重要[12, 13]。为此，研究人员检测了自噬相关基因（ATGs）的表达。结果显示，经5µM AR处理的N2a/APPswe细胞中的ATG（包括Beclin-1、ATG5、ATG7和LC3-II）显著增加，表明AR具有自噬激活的特性。此外，AR（5µM）处理被发现能够激活AMPK-mTOR信号通路。这些结果随后被自噬抑制剂（3-MA和CQ）所证实，它们能选择性地阻断了AR的作用（图4）。

图4 AR通过介导AMPK-mTOR信号通路显著触发自噬

（图源：He et al., Aging Cell, 2021）

Aβ（胞外）沉积主要通过吞噬和小胶质细胞降解来清除，表明小胶质细胞活性与Aβ代谢密切相关。在这里，研究人员测量了皮质和海马中胶质细胞活化标记物GFAP和IBA-1的水平。在5xFAD小鼠的大脑中观察到GFAP和IBA-1水平显著增加，在APN缺失时进一步显著升高。此外，AR处理显著逆转APP/PS1小鼠的高神经炎症状态（图5）。同时，降低N2a/APPswe细胞的促炎细胞因子水平。

图5 APN信号显著调控了AD小鼠的神经炎症

（图源：He et al., Aging Cell, 2021）

为了阐明小胶质细胞活化和Aβ沉积的潜在联系，在APN KO小鼠的原代小胶质细胞中测定了AR处理对Aβ积累的影响。结果显示，AR处理显著减少了小胶质细胞内Aβ的积累，表明AR可能促进Aβ的降解或吞噬。因此，研究人员使用荧光微球检测来自WT和APN KO小鼠小胶质细胞的吞噬能力。结果显示，两组之间的小胶质细胞吞噬功能没有明显差异。提示APN缺失不影响小胶质细胞的吞噬功能。有趣的是，进一步的研究结果表明，与WT对照组相比，APN KO小鼠小胶质细胞中的溶酶体标记物，包括LAMP1和CTSD显著减少，表明APN缺失可严重减弱小胶质细胞中的溶酶体活性。这些结果通过APN KO小鼠小胶质细胞原代培养以及AR处理得到进一步验证。这些发现强烈地表明，APN在调节小胶质细胞溶酶体活性中起着重要作用。失调的APN信号传导有助于AD的病理学，而补充AR可以通过增强溶酶体活性降低小胶质细胞中的Aβ来挽救这种现象（图6）。

图6 AR通过增加小胶质细胞溶酶体活性促进了Aβ的降解

（图源：He et al., Aging Cell, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望该研究通过AD模型小鼠证实APN缺失能够加重Aβ沉积、神经炎症和认知损害，补充AR则能逆转上述变化。病理机制上，研究人员发现APN缺失介导的Aβ沉积增多不是由APP表达和加工变化引起的，而是由自噬损伤和溶酶体失调引起的，提示APN是Aβ沉积及其相关病理的负调控因子。

在过去十年中，APN因其在调节糖脂代谢中的重要作用而被广泛用于研究肥胖、糖尿病、炎症、动脉粥样硬化和心血管疾病[14]。然而，APN在痴呆，尤其是在AD中的作用研究仍然不够。在该研究中，痴呆患者的血浆APN水平显著降低，与痴呆的严重程度呈负相关。此外，APN水平在5xFAD小鼠中表现出与年龄相关的下降。这些研究结果进一步强调了低水平APN在AD中的病因作用。

5xFAD小鼠起效快，病理表现明显，被广泛用作AD小鼠模型，用于评价疗效或探讨干预机制。先前的研究表明，APN缺失加重了9个月大的5xFAD小鼠的认知障碍和神经病理学[32132650]。在该研究中，研究人员重点研究了AD的早期阶段，结果提示APN缺失会加速5xFAD小鼠的认知障碍和AD病理恶化。进一步机制研究发现，APN信号的失调并未改变APP的表达和加工，表明APN信号对Aβ的生成没有显著影响。因此，5xFAD*APN KO小鼠上Aβ沉积的加剧表明，APN信号的调节主要影响Aβ的积累和加工。

在该研究中，AR处理可显著降低Aβ1-42/Aβ1-40的比率，并通过调节AMPK-mTOR信号传导诱导自噬激活，至少部分支持AR处理通过自噬激活介导的Aβ清除改善AD认知损害。此外，该研究发现AR处理显著恢复了APN KO小鼠小胶质细胞中溶酶体功能相关蛋白的水平。这一发现表明APN缺失可能与加速ALP缺陷有关，影响Aβ积累，随后参与AD发生发展。

此外，该研究中研究人员进一步采用TMT标记的蛋白质组学方法以发现APN缺乏加重认知损害的更多可能机制。发现涉及神经元分化过程、神经发生、蛋白水解、细胞死亡、自噬和内吞作用等多个生物学过程在APN缺失影响AD小鼠行为和病理变化中发生显著改变。APN是否也参与上述过程，最终导致AD病因的过程仍需进一步研究。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/acel.13514

第一作者 何开武（右一），第二作者 聂露琳（左一），第三作者 Tahir All（右四），通讯作者 李书鹏（右五），通讯作者 杨细飞（右六）

（照片提供自 ：李书鹏课题组）

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参考文献（上下滑动查看）  

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制版︱王思珍

本文完