Acta Neuropathol︱陈础课题组揭示创伤性脑损伤促进阿尔茨海默病发展的关键因子
撰文︱高 菲
责编︱王思珍
编辑︱杨彬伟
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种以β-淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）在细胞外累积沉淀和高度磷酸化的Tau蛋白（p-Tau）在神经元内部形成神经元纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFT）为主要特征的神经退行性疾病。创伤性脑损伤(Traumatic brain injury,TBI）是促进AD发病的高风险因素之一[1-3]。临床上约80%的TBI为轻度，多数轻度TBI是由闭合性脑损伤（closed head injury，CHI）导致的。经历一次中度、重度或多次轻度TBI可能会导致随后的类似AD的神经病理学改变和认知功能退化，而单次的轻度CHI并不会引起类似变化[4-8]。磷酸化Tau的累积以及TAR DNA-binding protein 43（TDP-43）的聚集是TBI患者的两个主要神经病理学特征。但是临床研究发现超过50%的AD病人也出现TDP-43沉积[9,10]。表明TDP-43沉积也是AD神经病理学变化指征之一。虽然众多研究表明TBI是诱发AD的高风险因素，但是TBI引起AD发病的分子机制仍不明确。
近日，德克萨斯州立大学健康科学中心圣安东尼奥分校生理系陈础教授课题组在Acta Neuropathologica上发表题为“TDP-43 drives synaptic and cognitive deterioration following traumatic brain injury”的研究论文。该研究首次揭示异常高表达的TDP-43为导致创伤性脑损伤后加速AD相关神经病理学改变以及导致突触可塑性和认知功能下降的重要因素。高菲、胡梅、章健为共同第一作者，陈础教授为通讯作者。
TDP-43是一种DNA和RNA结合蛋白，具有调节基因转录、RNA剪接和代谢的功能[11]。TDP-43在颞额叶痴呆（frontotemporal lobar degeneration，FTLD）和肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）的作用被广泛研究，但是对其在TBI引起的AD样神经病理学改变中的作用知之甚少。
在该研究中，作者证实单次轻度CHI虽然不会加速对照动物出现AD样病变和认知功能损伤，但足以引起对AD易感的4月龄APP TG小鼠（阿尔茨海默病模型动物，通常在5 到6月龄以后出现认知损伤等表型）出现此类症状（图1）。具体表现为细胞炎性因子（TNF、IL-1β、IL-6、Vim）的高表达；Aβ累积；TDP-43、乙酰化Tau（Acetylated-Tau，AC-Tau）、p-tau 181以及β-分泌酶-1（b-secretase 1，BACE 1）表达量的升高；突触功能损伤（长时程增强效应减弱，谷氨酸受体表达下降）；在非空间认知识别（新奇物体识别）和空间学习记忆（Morris水迷宫）的能力下降。同样症状也出现在经历3次轻度CHI的对照动物中。
图1单次轻度CHI即可加速AD发展
（图源：Gao F, et al., Acta Neuropathol, 2022）
AD易感动物经历一次轻度CHI和对照动物经历多次轻度CHI均会引起后续AD相关病理学改变，那么是什么分子机制在这两种情形中发挥的作用呢？TDP-43在TBI和AD病人以及动物模型的脑内都是过表达的，因此作者假设TDP-43是CHI引起AD相关病理学改变的关键因素。为了验证这一假设，作者用慢病毒介导的shRNA干扰TDP-43在两种模型小鼠海马内的表达，结果发现由于轻度CHI导致的AD相关神经病理学改变（图2）以及突触和认知功能损伤在两种模型中均得到缓解。说明过度表达的TDP-43是导致TBI后出现AD样病变的主要原因。
图2干扰TDP-43的表达可以缓解由轻度CHI导致的AD相关神经病理学改变
（图源：Gao F, et al., Acta Neuropathol, 2022）
如果异常表达的TDP-43确实为导致创伤性脑损伤后加速AD相关神经病理学改变以及导致突触和认知损伤的关键因素，那么在海马内高表达TDP-43是否可以模拟与经历轻度CHI相同的病理学改变呢？为此作者利用腺相关病毒（adeno-associated viruses，AAV）在小鼠海马内过表达人源TDP-43（AAV-hTDP43）。结果显示，小鼠海马内过表达TDP-43不仅会引起BACE1、p-GSK3β（phosphorylated glycogen synthase kinase-3β）、AC-Tau、p-Tau和p-NF-κB（phosphorylated NF-κB）的表达升高，也会引起炎性反应，表现为星型胶质细胞和小胶质细胞的活化。高表达的TDP-43也导致了海马内突触功能的损伤和小鼠学习记忆能力的下降。作者观察到在小鼠海马内突触后密度蛋白95（PSD95）和谷氨酸受体表达显著降低。并且小鼠在新奇物体识别和Morris水迷宫测试中的表现明显受损（图3）。
图3高表达TDP-43导致小鼠出现神经病理学改变和认知功能障碍
（图源：Gao F, et al., Acta Neuropathol, 2022）
证明了TDP-43在轻度TBI与AD发病之间存在密切关联以后，作者进一步探究为什么TBI会引起TDP-43过表达呢？作者发现p-NF-kB表达升高的现象在经历一次轻度CHI后的AD易感小鼠和经历多次轻度CHI的对照小鼠中出现，并且p-NF-κB的高表达与炎性因子的升高密切相关，因此作者设想是否CHI引起的炎性反应刺激NF-κB磷酸化从而导致TDP-43的过表达。为验证这一假设，作者用细胞炎性因子在培养的神经元中诱导炎性反应，发现TNF、IL-1β、IL-6表达升高的同时，p-NF-κB的表达量也明显增加，并且腹腔注射LPS也导致了脑内TDP-43的高表达。运用染色质免疫沉淀（chromatin immunoprecipitation，CHIP）技术发现在TDP-43基因的启动子上存在NF-κB的结合位点。用药物或者病毒载体抑制NF-κB通路可以缓解由炎性因子导致的TDP-43高表达，从而证实TBI引起炎性因子的升高通过NF-κB通路促进了TDP-43的表达。
已知TDP-43的累积会引起细胞毒性，那么TDP-43是否会通过与Tau磷酸化和Aβ斑块的形成相互作用进一步引起AD相关病理学改变的加剧呢？作者发现干扰培养的PS19 tau TG小鼠海马神经元内TDP-43的表达的同时可以降低p-GSK3β、p-Tau 181、AT8（p-Tau-S202/T205）和AT5，GSK3β是磷酸化Tau的主要细胞质激酶[12-15]。而如果干扰GSK3β的表达，并不会导致TDP-43表达量改变但会引起磷酸化Tau蛋白（p-Tau 181、AT8）的表达明显下降。从而证明TDP-43通过GSK3β影响Tau的磷酸化。文章最后作者进一步探究了TDP-43是如何影响Aβ累积的。他们发现TDP-43和BACE1存在相互作用，在培养的5xFAD APP TG小鼠海马神经元内的干扰TDP-43表达可以抑制BACE1的表达，说明TDP-43促进Aβ累积是通过作用于BACE1实现的（图4）。
图4 TDP-43促进Tau磷酸化和BACE1的表达
（图源：Gao F, et al., Acta Neuropathol, 2022）
图5 TBI诱导TDP-43异常表达并引起神经病理学改变以及突触和认知功能障碍的模式图
（图源：Gao F, et al., Acta Neuropathol, 2022）
后续可对TDP-43的异常累积对突触结构的影响做进一步研究，因为树突棘形态变化，密度，棘的形成以及消失均会对突触功能产生影响。利用单细胞测序技术进一步甄别参与TDP-43通路调节的基因，并明确相关基因是如何调控突触结构和功能的以及如何特异性的限制TBI后病人脑内TDP-43的表达也有待于进一步的研究。
原文链接：https://doi.org/10.1007/s00401-022-02449-w
共同第一作者高菲（左二）、胡梅（左三）、章健（左四）；通讯作者陈础（右一）
（照片提供自：德克萨斯州立大学健康科学中心圣安东尼奥分校陈础课题组）
【1】人才招聘︱“ 逻辑神经科学 ”诚聘文章解读/撰写岗位 ( 网络兼职, 在线办公)
参考文献（上下滑动阅读）
[1] Dams-O’Connor K, Guetta G, Hahn-Ketter AE, Fedor A (2016) Traumatic brain injury as a risk factor for Alzheimer’s disease: current knowledge and future directions. Neurodegener Dis Manag 6(5):417–429
[2] Djordjevic J, Sabbir MG, Albensi BC (2016) Traumatic brain injury as a risk factor for Alzheimer’s disease: is inflammatory signaling a key player? Curr Alzheimer Res 13(7):730–738
[3] Li J, Wang H, Du C, Jin X, Geng Y, [3] Fleminger S, Oliver DL, Lovestone S, Rabe-Hesketh S, Giora A (2003) Head injury as a risk factor for Alzheimer’s disease: the evidence 10 years on; a partial replication. J Neurol Neurosurg Psychiatry 74(7):857–862
[4] Al-Dahhak R, Khoury R, Qazi E, Grossberg GT (2018) Traumatic brain injury, chronic traumatic encephalopathy, and Alzheimer disease. Clin Geriatr Med 34(4):617–635.
[5]Arulsamy A, Corrigan F, Collins-Praino LE (2019) Cognitive and neuropsychiatric impairments vary as a function of injury severity at 12 months post-experimental diffuse traumatic brain injury: implications for dementia development. Behav Brain Res.
[6] Blennow K, Brody DL, Kochanek PM, Levin H, McKee A et al (2016) Traumatic brain injuries. Nat Rev Dis Primers.
[7] Blennow K, Hardy J, Zetterberg H (2012) The neuropathology and neurobiology of traumatic brain injury. Neuron 76(5):886–899.[8] Launer LJ, Andersen K, Dewey ME, Letenneur L, Ott A, EURODEM Incidence Research Group and Work Groups. European Studies of Dementia et al (1999) Rates and risk factors for dementia and Alzheimer’s disease: results from EURODEM pooled analyses. Neurology 52(1):78–84.[9] Josephs KA, Whitwell JL, Tosakulwong N, Weigand SD, Murray ME et al (2015) TDP-43 and pathological subtype of Alzheimer’s disease impact clinical features. Ann Neurol.[10] Josephs KA, Whitwell JL, Weigand SD, Murray ME, Tosakulwong N et al (2014) TDP-43 is a key player in the clinical features associated with Alzheimer’s disease. Acta Neuropathol
[11] Klim JR, Pintacuda G, Nash LA, Guerra San Juan I, Eggan K (2021) Connecting TDP-43 Pathology with Neuropathy. Trends Neurosci 44(6):424–440.
[12] Lauretti E, Dincer O (1867) Praticò D (2020) Glycogen synthase kinase-3 signaling in Alzheimer’s disease. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res 5:118664.
[13] Llorens-Martin M, Jurado J, Hernandez F, Avila J (2014) GSK-3beta, a pivotal kinase in Alzheimer disease. Front Mol Neurosci.[14] Medina M, Garrido JJ, Wandosell FG (2011) Modulation of GSK-3 as a therapeutic strategy on Tau pathologies. Front Mol Neurosci.[15] Petraglia AL, Plog BA, Dayawansa S, Dashnaw ML, Czerniecka K et al (2014) The pathophysiology underlying repetitive mild traumatic brain injury in a novel mouse model of chronic traumatic encephalopathy. Surg Neurol本文完