J Neurosci︱金明月/广常真治团队揭示大脑发育过程中α-Syn和tau发挥重要的协同性生理功能

撰文︱金明月

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

α-突触核蛋白（α-synuclein，αSyn）和tau蛋白是中枢神经系统中高表达的微管相关蛋白（microtubule associated protein，MAP），而在脑内的异常沉积可引起包括帕金森病（parkinson’s disease，PD）和阿尔兹海默病（Alzheimer’s disease，AD）在内的神经退行性疾病[1, 2]。可是，到目前为止还没有完全弄清这两个蛋白质的生理功能，也没有找出治疗PD和AD的有效治疗方法而面临着诊断和治疗的双重难题。其中一个原因是，α-突触核蛋白和tau蛋白的单基因敲除小鼠没有显示出明显的表型[3, 4]，这说明神经细胞中高表达的MAPs的生理功能远比想象中的复杂，存在一定程度的生理功能上的重复性。为了克服这一点，作者同时敲除αSyn编码基因SNCA和 tau编码基因MAPT基因制作了双基因敲除小鼠αSyn^-/-tau^-/-，并发现α-突触核蛋白和tau蛋白在大脑发育过程中合作（cooperatively）发挥重要生理功能。

2022年7月，桂林医学院的金明月团队和日本大阪公立大学的广常真治团队在杂志Journal of Neuroscience上发表了题为“Functional cooperation of α-synuclein and tau is essential for proper corticogenesis”的研究论文。王晟明为论文第一作者，广常真治教授、金明月副研究员为本文共同通讯作者。在此研究中作者发现，在大脑发育过程中α-突触核蛋白和tau蛋白通过Notch信号通路调控神经祖细胞的分裂和分化，而α-突触核蛋白和tau蛋白的功能缺失导致了神经发生（neurogenesis）和神经大胶质细胞发生（gliogenesis）异常。该文第一次报告α-突触核蛋白和tau蛋白在大脑发育过程中所发挥的协同性生理功能。

为了揭示α-synuclein（αSyn）和tau在大脑发育过程中所发挥的协同性生理功能，作者详细解析了野生型（WT）小鼠，单基因敲除小鼠（αSyn^-/-和tau^-/-）和 αSyn^-/-tau^-/-小鼠。已有研究表明αSyn和tau具有促进微管聚合并维持其稳定性的生理功能[4-8]。由此可以推测，同时敲除αSyn和tau基因，很可能引起中枢神经系统的微管动态平衡的紊乱。作者观察到αSyn^-/-tau^-/-小鼠在胚胎第12-14天（embryonic day（E）12-14）出现了神经祖细胞分裂和神经元分化被促进，致使胚胎新皮层增厚大脑增大（图1, 2）。进一步的解析还发现，αSyn和tau的功能缺失导致了神经祖细胞的Notch1和其r下游的Hes1和Hes5表达下调，从而促进了胚胎初期的神经元分化（图2）。

图1. αSyn^-/-tau^-/-小鼠的神经分化被促进使得胚胎脑变大。

（图引自：Wang, SM. et al., J Neurosci, 2022）

图2. αSyn和tau的功能缺失引起了小鼠胚胎初期的Notch信号通路抑制。

（图引自：Wang, SM. et al., J Neurosci, 2022）

大脑发育过程中，神经元和神经大胶质细胞（星形胶质细胞和少突胶质细胞）来源于共同的神经祖细胞，放射状胶质细胞（radial glial cell，RGC）[9]。神经大胶质细胞发生紧接于神经发生[10]。作者发现，胚胎初期神经元分化的促进，致使胚胎中期（E15）的神经祖细胞（RGCs和由RGCs分化产生的中间祖细胞（intemediate progenitor cell，IPC）数量急剧下降，使得胚胎后期神经大胶质细胞发生（gliogenesis）受到抑制。非常有趣的是，跟胚胎期小鼠不同，出生后第11天（postnatal day（P）11）和6个星期的αSyn^-/-tau^-/-小鼠大脑明显小于WT，αSyn^-/-和tau^-/-小鼠，星形胶质细胞和少突胶质细胞数量也显著下降。与此相反，分布在大脑新皮层的神经细胞的密度却显著升高（图3, 4）。为了找出αSyn^-/-tau^-/-大脑由大变小的原因，作者使用细胞凋亡标记物cleaved caspase-3和小胶质细胞炎症标记物Iba1进行免疫染色检测了是否发生神经元凋亡。免疫染色结果显示，在WT和基因敲除（KO）小鼠中并没有发现程序性细胞死亡和被激活的小胶质细胞数量增加（图4）。这些结果表明，成年αSyn^-/-tau^-/-小鼠的大脑变小是由于胚胎后期大胶质细胞发生被抑制，小鼠幼仔的大胶质细胞数量扩展（expansion）和成熟受损导致，并不是神经元凋亡所引起。

图3. αSyn^-/-tau^-/-小鼠的星形胶质细胞和小突胶质细胞的明显下降。

（图引自：Wang, SM. et al., J Neurosci, 2022）

图4. αSyn^-/-tau^-/-小鼠大脑新皮层中神经细胞的密度显著升高。

（图引自：Wang, SM. et al., J Neurosci, 2022）

αSyn和tau是中枢神经系统中高表达的MAPs，而维持微管的动态平衡在神经祖细胞的分裂和分化起着非常重要的作用[11-13]。可以推测，这两个蛋白的功能缺失很可能打乱细胞内微管动态平衡。为了确认这一点，作者从小鼠胚胎E12-13分离小鼠胚胎成纤维细胞（MEF），采用细胞免疫染色和细胞实时成像的方法进行了探讨。结果发现，与WT，αSyn^-/-和tau^-/-相比，αSyn^-/-tau^-/-MEFs的微管再聚合和延伸（repolymerize and elongation）明显受到抑制（图5）。在胚胎发育早期，RGCs进行自我复制的同时，还分化产生神经元[14]。为了进一步确认微管动态平衡在RGCs的细胞周期的影响，作者进行了in utero electroporation（IUE）实验并观察了G2期RGCs的interkinetic nuclear migration（INM）。实时成像结果显示，αSyn^-/-tau^-/-小鼠E13脑片中INM 的速度明显高于WT小鼠，并且，E14脑片中基本上所有的Lyn-GFP/H₂B共表达的RGCs脱离脑室区和脑室下区并抵达大脑新皮层（图5）。这些结果表明，G2期RGCs的INM的加速也促进了胚胎早期的RGCs分裂和神经发生。

图5. αSyn和tau的功能缺失降低微管的reorganization and elongation

（图引自：Wang, SM. et al., J Neurosci, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该文章通过详细解析αSyn^-/-tau^-/-小鼠，发现α-突触核蛋白（αSyn）和tau在神经发生和神经大胶质细胞发生中发挥重要的协同性生理功能。αSyn^-/-tau^-/-小鼠在胚胎E11出现神经元早期分化，在E12-14呈现神经祖细胞的分裂和神经元分化被促进，而这些过程是通过神经祖细胞的Notch信号通路和INM所介导。这些结果导致了αSyn^-/-tau^-/-小鼠胚胎脑增大。神经元分化的促进致使胚胎发育中期神经祖细胞减少，从而使得胚胎发育后期的神经大胶质细胞发生受到抑制。与此同时，在αSyn^-/-tau^-/-小鼠幼仔中发现，星形胶质细胞和少突胶质细胞的增殖和成熟（expansion and maturation）受损。这一过程很可能是微管的动态平衡所介导，但还需要进一步的实验验证。已有研究表明，Notch信号通路和神经祖细胞的INM是通过微管动态平衡（dynamics）调控。但αSyn和tau如何通过微管调控Notch信号通路和INM，尚需进一步研究。
总之，该研究首次发现αSyn和tau在神经发生和神经大胶质细胞发生中起着重要的协同性生理功能。文中的研究成果，对今后阐明αSyn和tau在中枢神经系统中的生理功能开拓了一条新的道路，将αSyn或tau蛋白引起的神经退行性疾病的治疗和新药开发提供重要线索。

原文链接：https://www.jneurosci.org/content/early/2022/07/27/JNEUROSCI.0396-22.2022

金明月（左），王晟明（右）

（照片提供自：金明月实验室）

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参考文献（上下滑动阅读） 

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本文完