Sci Adv︱突破！Abi3基因缺失加剧了阿尔茨海默病小鼠模型的神经病理学特征

撰文︱孙  勋

责编︱王思珍

阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆症，其病理特征为β-淀粉样蛋白（Aβ）异常聚集形成的淀粉样斑块、高度磷酸化tau蛋白聚集形成的神经纤维缠结以及大脑中的神经炎症[1]。越来越多的证据表明神经炎症不仅是神经退行性病变的结果，而且在AD发病机制中起着关键作用[2,3]。AD的全基因组关联研究已经确定了许多在小胶质细胞中高度或选择性表达的AD风险基因[4]，而且小胶质细胞在维持稳态和病理条件都有着重要的作用[5,6]。小胶质细胞通过吞噬作用促进A的清除，同时通过分泌炎性细胞因子调节大脑的免疫功能[7]。但在AD中小胶质细胞是一把双刃剑，在疾病进程中既有保护作用，也有毒性作用，小胶质细胞相关AD风险基因如何调节细胞的功能，仍然不清楚。因此，在AD中确定小胶质细胞遗传风险因子的功能有助于寻找并确定新的AD药物靶点。

人类遗传学研究发现了一种罕见的ABI3（Abelson interactor family member 3）基因编码突变，该突变与晚发性AD风险增加有关[8-10]。但是ABI3基因突变是否会导致细胞功能的获得或丧失，尚不清楚。与其他的AD风险突变基因（如TREM2、SPI1和MS4A6A）类似，ABI3在小胶质细胞中高度表达[8,9,11]。ABI3蛋白已被鉴定为WASP家族verprolin同源蛋白调控复合体的一个组成部分，存在于多种癌细胞中[12,13]。该复合物调节肌动蛋白细胞骨架，并参与胞质分裂、迁移、内吞和吞噬作用[14,15]。虽然在癌症细胞模型中，ABI3的分子功能已经进行了研究[16,17]，但其在大脑中的生理作用，特别是在小胶质细胞中，ABI3参与AD发病机制的途径，尚不清楚。

2021年11月3日，来自美国印第安纳大学医学院史塔克神经科学研究所的Hande Karahan（第一作者）、Jungsu Kim（通讯作者）等人在Science Advances上发表了题为“Deletion of Abi3 gene locus exacerbates neuropathological features of Alzheimer’s disease in a mouse model of Aβ amyloidosis”的最新研究论文。该论文表明了Abi3基因缺失显著增加了5xFAD小鼠脑内Aβ和淀粉样斑块的水平，减少了斑块周围小胶质细胞的募集，转录组学分析发现Abi3基因敲除小鼠中小胶质细胞的炎症通路相关基因的表达水平发生了改变。本文首次在体内条件下证明了Abi3基因功能缺失通过增加Aβ的积聚和神经炎症影响AD病理进程。

为了探究Abi3基因在AD病理中的作用，作者以5XFAD小鼠为基础繁育了Abi3基因不同拷贝数的小鼠：Abi3^+/+、Abi3^+/-、Abi3^-/-。为了探究Abi3基因拷贝数对Aβ积累的影响，作者使用电化学发光分析法测量了可溶性和不可溶性Aβ₄₀和Aβ₄₂在8个月大的三种Abi3基因型小鼠大脑中的水平。由于5XFAD小鼠在淀粉样蛋白积累程度上存在性别依赖性差异，因此作者分别统计了雄性和雌性小鼠的结果。结果显示Abi3表达的缺失以基因拷贝数依赖性的方式显著增加了可溶性和不溶性Aβ₄₀及Aβ₄₂的水平，即Abi3拷贝数越少，Aβ水平增加越明显（图1）。

图1 雄性和雌性Abi3敲低、敲除小鼠的皮层和海马中Aβ的积累

（图源：Hande Karahan. et al., Sci Adv, 2021）

接着，作者使用Aβ抗体82E1对脑切片进行免疫染色，进一步评估淀粉样斑块的沉积（图2 A）。结果显示，Abi3^+/-和Abi3^-/-组不论是雄性还是雌性，皮层中淀粉样斑块沉积程度都显著高于Abi3^+/+组（图2 B-E）。为了表征斑块中聚集物的性质，作者用X34染料对脑切片进行染色，该染料仅检测纤维状淀粉样沉积（图2 F）。结果显示雄性（图2 G, H）、雌性（图2 I, J）的Abi3^+/-和Abi3^-/-组中纤维状淀粉样斑块也显著增加。以上数据表明Abi3基因的缺失加重了AD模型中Aβ的沉积。

图2 Abi3基因的缺失增加了5XFAD小鼠皮层的淀粉样斑块

（图源：Hande Karahan. et al., Sci Adv, 2021）

考虑到Abi3是一种小胶质细胞高表达基因，而小胶质细胞增生是AD病理学的显著特征之一，因此作者探究了Abi3是否影响5XFAD小鼠的小胶质细胞表型。作者利用Iba1抗体进行组织免疫化学染色，结果显示Iba1水平在各个组之间没有差异，表明Abi3缺失可能不会改变整体的小胶质细胞增生。为了进一步检测Abi3基因缺失是否会改变斑块周围小胶质细胞的定位，作者用Iba1抗体和X34染料对脑切片进行共染色，分别检测小胶质细胞和原纤维斑块（图3 A）。结果显示，三种基因型小鼠（Abi3^+/+、Abi3^-/-、Abi3^-/-）的整个皮层中的Iba1染色区域没有差异（图3 B），这表明Abi3基因的缺失可能不会影响小胶质细胞的总体增殖或存活。然而，在Abi3^+/-和Abi3^-/-组中，X34斑块周围的Iba1阳性细胞的数量显著减少（图3 C）。这些数据总体表明Abi3基因的缺失可能会阻止小胶质细胞聚集在斑块周围，从而损害Aβ斑块的清除。另外，体外实验也证实在HMC3小胶质细胞中ABI3基因表达下调会影响小胶质细胞的迁移。

图3 Abi3基因的缺失增加了淀粉样斑块周围的小胶质细胞的数量

（图源：Hande Karahan. et al., Sci Adv, 2021）

为了进一步探究Abi3在AD中的潜在信号通路，作者从雄性Abi3^-/-和Abi3^-/-小鼠的皮层提取了RNA、进行转录组学分析，并确定了差异表达基因。其中C1qa（补体系统）、Cyp27a1（脂质代谢）、Ctss（自噬）、Laptm5（自噬）和Cyba（轴突、树突结构）是Abi3^-/-小鼠中最上调表达的基因（图4 A, B）。为了探究Abi3^-/-小鼠中差异表达基因调节的特定生物途径，作者使用MetaCore进行路径富集分析，Gene ontology（GO）显示差异表达基因富集于免疫反应相关的通路（图4 C）。作者接着分析了免疫相关通路。结果显示C1qa和Ctss是Abi3^-/-小鼠中最显著上调的基因之一（图4 D, E）。此外，其他补体通路基因（如C4a和C3ar1）和免疫应答基因（如Lilrb4a、Cd74、Il-3和Tlr7）在Abi3^-/-小鼠中也显著上调（图4 D, E）。GO分析表明了Abi3与炎症反应（C1qa、C4a、C4b、Ctss、Lilrb4a、Cd74、Fcer1g和Irak1）通路密切相关（图4 F）。总之，以上数据表明Abi3基因的缺失引起了与小胶质细胞免疫功能相关基因的转录变化，如补体通路激活和免疫信号转导。

图4 Abi3基因缺失改变了5XFAD小鼠的免疫应答基因

（图源：Hande Karahan. et al., Sci Adv, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

近年来，人类遗传学研究鉴定了许多阿尔兹海默症（AD）风险基因，大大提高了我们对该疾病的理解。例如，Abi3基因中一种罕见的编码错义突变与AD风险密切相关[8,9]。因此，基因功能的研究对于确定遗传风险因素的因果关系和探究基因调控的信号通路是非常必要的。为了探究Abi3基因在AD发病机制中的作用，作者使用AD小鼠模型5XFAD研究了Abi3基因功能缺失如何影响AD的病理特征。结果证明Abi3基因的缺失显著增加了可溶性和不溶性Aβ的水平和淀粉样斑块，减少了淀粉样斑块周围的小胶质细胞数量，改变了小胶质细胞免疫反应的基因表达，总之，以上数据表明，Abi3基因影响了AD中Aβ的积聚及其引起的神经炎症。

本文已经证明Abi3基因在淀粉样蛋白积累之前被敲除时，Aβ水平会显著升高。然而，以上结论并不一定意味着淀粉样蛋白积累后降低Abi3蛋白水平将具有相同的效果，因为小胶质细胞在疾病的不同阶段对AD病理学的反应可能不同，小胶质细胞可能扮演“双刃剑”角色。总之，本文证明Abi3基因的缺失显著加剧了AD病理学的关键特征，表明Abi3及其下游通路可能是有希望的新的AD治疗靶点。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abe3954

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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