Cell︱星形胶质细胞和小胶质细胞中胆固醇与基质体通路失调
撰文︱杨熙恩
责编︱王思珍
编辑︱杨彬伟
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是最常见的痴呆疾病，其特征是广泛的神经退行性病变，胶质细胞增生，以及两个经典病理特征：β-淀粉样（Aβ）斑块和tau蛋白过度磷酸化所形成的神经纤维缠结[1]。目前已证实载脂蛋白E ε4（APOE4）等位基因是AD最强的遗传风险因子，影响多种细胞类型[2]。在人类与小鼠中，Apoe主要由星形胶质细胞产生，少量产生自小胶质细胞，但在人类疾病（包括AD、衰老等）相关小胶质细胞和星形胶质细胞中APOE表达上调，而小鼠神经退行性表型不存在这一现象或仅有部分重叠，这凸显了APOE4在人类和小鼠之间的物种差异性[3,4]。虽然APOE4和AD风险增加之间的关联已经被证实，但其潜在的机制，特别是人类脑细胞类型的风险还不清楚。
2022年6月23日，美国波士顿大学医学院Julia TCW团队和西奈山伊坎医学院Alison M. Goate团队合作在Cell上发表了题为“Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in astrocytes and microglia”的文章，通过全基因组转录组分析技术揭示了人类特异性APOE4驱动星形胶质细胞和小胶质细胞脂质代谢失调，阐述了APOE4启动胶质特异性的细胞和非细胞自主调节失调可能导致AD风险的增加。
作者首先筛选了13个人诱导多能干细胞细胞系（hiPSCs），证实了APOE4是AD遗传风险分数的主要参与者，且包含APOE位点的多种单倍体以APOE基因型依赖的方式存在。又因为iPSCs在重编程过程中进一步分化成以下四种类型：小胶质细胞、星形胶质细胞、皮层混合细胞，以及脑微血管内皮细胞（图1A）。所以为了检测APOE4的细胞类型特异性效应，作者对每种细胞的APOE4型和APOE3型进行差异表达基因（DEG）分析，确定了小胶和星胶是受固有APOE基因型影响的主要细胞类型（图1B）。
接着，作者通过快速预排序基因集富集分析（fast pre-ranked gene set enrichment analysis），发现小胶质细胞和星形胶质细胞中最显著的正相关富集基因集中于胆固醇生物合成和其他脂质途径；在小胶质细胞中，负相关富集基因主要参与高密度脂蛋白介导的脂质转运、泛转录通路和溶酶体途径（图1C-E）。另外，全转录组分析也显示，APOE4与较高的胆固醇合成和较低的分解代谢/外排相关（图1F-J）。因此，作者推测APOE4与小胶质细胞和星形胶质细胞中内胆固醇水平的改变相关。
图1群体模型中APOE4富集的脂质和基质体通路
（图源：Tcw J, et al., Cell, 2022）
由于在混合皮层培养中被鉴定出来的DEGs相对较少（图1E）。作者推测这可能由细胞的异质性所导致。因此作者对细胞类型比例进行了测量，并确定了数字排序算法（digital sorting algorithm）为最佳拟合算法。在星形胶质细胞比例校正前后，作者在APOE4混合皮层培养中发现了丰富的基质体（matrisome）通路。此外，基质体相关通路预测了APOE4混合皮层培养中三个功能模块：趋化性、激活/炎症反应和脂质合成都上调，以及核心基质体显示支持细胞迁移的分子水平增加（图1K）。
由于APOE位点周围广泛的连锁不平衡和单倍型变异，因此不能将所观察到的群体系差异明确归因于APOE4。为此，作者使用CRISPR-Cas9基因编辑法得到了24个等位基因hiPSCs。为了研究人群和等位基因模型中常见或独特的通路，作者进行了无偏加权基因共表达网络分析（unbiased weighted gene co-expression network analysis），确定了显著的模块特征基因，代表了APOE4和APOE3在群体和等位基因比较分析中的模块表达谱（图2）。与人群星形胶质细胞一致，在APOE4等位基因的星形胶质细胞中，脂质代谢上调最为显著（图2F）。经过细胞类型比例校正后，在APOE4混合皮层培养体系中，基质体基因表达上调，而脂质代谢、转录和翻译相关基因表达和通路富集都减弱（图2G）。
图2 等基因模型揭示APOE4的个体变异
（图源：Tcw J, et al., Cell, 2022）
作者还对AD组与对照组（西奈山脑库）大脑进行了DEGs分析，并发现了基质体的富集（图3A），这一结果与上述APOE4 hiPSC混合皮层细胞类似。同时，基质体基因组的功能预测主要富集于3个模块：趋化性、炎症和脂质合成（图3B）。为了进一步确定是哪种细胞类型诱导了基质体，在DEG分析看（APOE4 vs APOE3）后，作者又利用微阵列细胞类型特异性意义分析（cell-type-specific significance analysis of microarrays）对全脑转录组中的小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元、内皮细胞和少突胶质细胞进行了研究。结果发现，基质体富集于正常组大脑的颞上回、海马旁回、额下回及AD大脑背外侧前额叶皮质的中的APOE4星形胶质细胞（图3C-F）。细胞基质（ECM）、趋化因子和细胞因子信号通路则在所有脑区的APOE4小胶质细胞中均呈阳性富集（图3G-J）。在细胞类型反卷积分析（cell-type deconvolution）后，发现APOE4型AD星形胶质细胞依旧显示出相同的基质体相关模块，即趋化性、炎症和脂质合成（图3K-L）。另外，APOE4 hiPSC混合皮层细胞的特性类似于人类APOE4 AD大脑，并且富集的基质体与胶质细胞迁移、炎症和脂质合成相关（图3M-O）。这些结果整体表明：基质体由APOE4星形胶质细胞产生，并可能通过星形胶质细胞-神经元交流发挥作用。
图3 APOE4在反卷积分析的AD大脑星形胶质细胞中富集的基质体通路
（图源：Tcw J, et al., Cell, 2022）
为了揭示小鼠模型中胶质细胞特异性的APOE4效应，作者对APOE4、APOE3、Apoe KO和Apoe野生型（WT）的小胶质细胞和星形胶质细胞进行了转录组分析。Apoe WT和Apoe KO独立聚集在APOE3和APOE4中，每种细胞类型无法区分（图4A-C），这说明小鼠Apoe和人类APOE在功能上存在分歧。另外，通过对基质体相关通路进行功能分析后，发现小鼠APOE4星形胶质细胞和小胶质细胞缺乏脂质相关失调通路（图4D-F, I）。因此，脂质代谢失调是人类特有的。Apoe KO与APOE3小鼠小胶质细胞和星形胶质细胞的比较显示了细胞类型特异性作用。Apoe KO小胶质细胞表现出丰富的胆固醇生物合成和其他脂质途径（图4G, J），提示脂质合成上调。Apoe KO星形胶质细胞基质体丰富，趋化性和炎症增强（图4 H, K）。在所有的比较中，Apoe KO小鼠小胶质细胞和星形胶质细胞都正富集溶酶体，且脂质分解代谢上调，这与APOE4人类细胞不一致。此外，通过基因等级聚类分析发现APOE基因位点在人和小鼠的小胶质细胞和星形胶质细胞中表现出明显的差异，暗示APOE位点附近的调控机制或结构在不同物种之间存在差异。
图4 小鼠Apoe和人APOE4对小鼠星形胶质细胞和小胶质细胞的影响
（图源：Tcw J, et al., Cell, 2022）
作者进一步证实了APOE4星形胶质细胞和小胶质细胞中胆固醇转运受损，从而通过增加胆固醇生物合成和减少其外排导致脂质调节异常（图5J-O）；以及在稳态条件下，APOE4星形胶质细胞表现出与外源性脂质暴露无关的肌动蛋白细胞骨架缺陷（图5A-B）。另外，促炎性基质体调节异常一定程度上是由APOE4星形细胞-神经元通信异常引起的，并使脂质代谢紊乱，包括胆固醇的生物合成和外泄（图5C-I）。
图5 APOE4混合皮层培养星形胶质细胞中肌动蛋白细胞骨架和基质体失调
（图源：Tcw J, et al., Cell, 2022）
图6 星形胶质细胞和小胶质细胞中胆固醇和基质体通路失调
（图源：Tcw J, et al., Cell, 2022）
然而，本研究中所建立的hiPSC模型去掉了与年龄相关的表观遗传特征，而这些特征可能对AD进展有着重大贡献。另外，尽管此模型考虑了其他与疾病相关的遗传因素，然而，衰老或表观遗传因素还不能在hiPSC模型中得以重现，比如，在APOE3背景下，被富集的基质体不仅受到APOE4基因型的驱动，而且也受到AD病理表型的驱动；以及该hiPSC研究只能模拟APOE基因型，而不能模拟AD神经病理表型或年龄表型。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.05.017
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参考文献（上下滑动阅读）
[1] Selkoe D.J.Toward a remembrance of things past: deciphering Alzheimer disease. Harvey Lect. 2003; 99: 23-4
[2] Genin E. Hannequin D. Wallon D. Sleegers K. Hiltunen M. Combarros O. Bullido M.J. Engelborghs S. De Deyn P. Berr C. et al. APOE and Alzheimer disease: a major gene with semi-dominant inheritance.Mol. Psychiatr. 2011; 16: 903-907
[3] Xu Q.Bernardo A.Walker D.Kanegawa T.Mahley R.W.Huang Y.Profile and regulation of apolipoprotein E (ApoE) expression in the CNS in mice with targeting of green fluorescent protein gene to the ApoE locus.J. Neurosci. 2006; 26: 4985-4994
[4] Chen R, Zhang J, Wu Y, et al. Monoacylglycerol lipase is a therapeutic target for Alzhimer’s disease. Cell Reports. 2012;2(5): 1329–1339.
本文完