Mol Psychiatry︱深圳理工大学叶克强团队报道Thy1-ApoE4/C/EBP转基因小鼠可作为散发性AD小鼠模型

【经环路主题系列】技能培训班，详见文末

撰文︱钱政江

审阅︱叶克强

责编︱王思珍

根据发生类型的不同，阿尔兹海默病（Alzheimer’s Disease, AD）分为散发性（Sporadic）和家族性（Familial）AD两类。其中，散发性AD病人占比超过99%，主要由多种因素协同导致，而载脂蛋白ApoE4基因是最强的遗传风险因子 [1]；与之相比，家族性AD只占极少部分（不到1%），主要由遗传因素控制，包括编码β淀粉样蛋白的前体蛋白（APP）、早老素1和2（PS1/2）等基因的突变导致[2]。长期以来，为深入理解AD的发病机制以及开展治疗药物的临床前研究，科研工作者构建了一系列以小鼠为主的啮齿类AD模型。最常见的包括APP/PS1突变双转基因小鼠、3×Tg（APP、PS1及Tau）三转基因小鼠，以及5×FAD（五转基因）小鼠等[3]。然而，这些模型都是基于遗传突变基因构建，对绝大部分散发性AD形成的研究和药物研发不存在普遍的意义。因此，需要构建可以模拟散发性AD形成的动物模型,对全面深入理解AD的病理机制及临床前药物开发非常关键。

叶克强带领的研究团队长期致力于AD的发病分子机制和创新药物研究。多年来，该团队基于在AD发病机制的大量研究提出：C/EBPb（CCAAT/增强子结合蛋白）协同AEP（Asparagine endopeptidase，天冬酰胺内肽酶）形成的信号途径是引发AD发生发展的核心调控机制。一方面，C/EBPβ作为AEP的转录因子调控其表达，同时还促进与AD密切相关基因的表达，包括APP、微管相关蛋白Tau（MAPT）以及BACE1（β淀粉样前体蛋白裂解酶）等[5,6]；另一方面，AEP作为一种新型δ分泌酶，以APP、Tau和BACE1为底物，剪切产生APP N585、APP C586、Tau N368以及BACE1 N294等片段，进一步加快Ab和Tau的病理形成[7-9]。生理条件下，ApoE 蛋白在中枢神经系统中主要由星型胶质细胞表达和分泌，而在受损和氧化/炎症压力等病理条件下，神经元也能够大量表达ApoE [10,11]。作者以往研究发现：AD病人中C/EBPβ选择性的在神经元中促进ApoE4的高表达，从而导致Aβ清除障碍和聚集增加[12]。有意思的是，ApoE4还能协同27-羟基胆固醇反馈激活CEBPβ / AEP信号通路，加剧AD的形成[13]。基于此，我们推测神经元中ApoE4通过激活CEBPβ/AEP途径，进而驱动AD的发生发展,并构建Thy1-ApoE4/C/EBPβ转基因小鼠开展研究。

2024年4月24日，深圳理工大学（筹）生命健康学院生物系主任叶克强教授团队在Molecular Psychiatry杂志发表题为“Thy1-ApoE4/C/EBPβ double transgenic mice act as a sporadic model with Alzheimer’s disease”的研究论文，论证了Thy1-ApoE4/C/EBPβ转基因小鼠随着年龄的增加能够模拟散发性AD病理特征的发生发展。钱政江博士为论文第一作者，叶克强教授为通讯作者。在此研究中，作者利用AD临床诊断的“四大金标准”，包括行为学分析、磁共振成像（MRI）、PET成像以及脑脊液病理标志物的分析，并以遗传性AD的3xTg小鼠模型进行对比，充分证实Thy1-ApoE4/C/EBPβ转基因小鼠不携带任何遗传突变基因，但能够自发形成AD病理特征，可作为一种散发性AD小鼠模型。（拓展阅读：叶克强课题组相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：NPP︱叶克强团队发现靶向抑制AEP能够有效治疗散发性AD小鼠的病理症状；Nat Commun︱叶克强团队揭示ApoE4和FSH协同诱发阿尔兹海默症的机制；Cell︱叶克强/李丹/张振涛等合作报道新型示踪剂可特异识别帕金森病重要致病蛋白；Nat Commun︱叶克强团队发现TrkB激动剂前药-R13可抑制骨流失；Mol Psychiatry︱叶克强课题组揭示炎症激活的C/EBPβ/AEP信号通路介导高脂饮食诱发的糖尿病及阿尔兹海默症；Mol Psychiatry︱叶克强课题组揭示C/EBPβ/AEP信号通路介导了动脉粥样硬化及其诱发的阿尔兹海默症）

研究人员首先利用水迷宫和新事物识别等开展小鼠行为学研究。利用不同年龄的小鼠发现，与3xTg 小鼠类似，Thy1-ApoE4/C/EBPβ转基因小鼠随着年龄的增加，小鼠的学习记忆以及认知能力逐渐降低。

接着研究人员利用磁共振MRI成像对小鼠进行研究，T1加权成像表明随着小鼠年龄的增加，海马和皮层的体积逐渐降低（图1A和B）；利用脑片进行尼氏染色（Nissl staining）同样发现小鼠海马和皮层区域体积的降低（图1C和D）。这些结果表明，Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠随着年龄的增加大脑海马和皮层区域体积逐渐变小，符合AD病人大脑萎缩的病理特点。

图1. MRI成像以及脑片尼氏染色分析

（图源：Z. Qian et al. Molecular Psychiatry, 2024）

Ab斑块沉底以及Tau病理导致的神经纤维缠结是AD的重要病理特征，为进一步分析活体Ab和Tau的病理变化，研究人员采用放射性18F标记的AV45进行PET成像分析，研究结果发现，与3xTg小鼠类似，Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠随着年龄的增加，Ab病理沉积的PET信号逐渐增强（图2）

图2. Ab PET影像分析

（图源：Z. Qian et al. Molecular Psychiatry, 2024）

此外，进一步采用18F标记的AV1451进行Tau病理的PET成像分析，结果显示，Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠随着年龄的增加，Tau病理变化的PET信号逐渐增强（图3）。因此，上述PET成像均表明，Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠能够年龄依赖性的自发形成Ab和Tau病理特征。这些研究结果在脑片染色中同样得到了充分的验证。

图3. Tau PET影像分析

（图源：Z. Qian et al. Molecular Psychiatry, 2024）

为进一步探究小鼠内聚集的Ab和Tau蛋白是否具有病理功能，研究人员分别对3xTg和Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠大脑内Ab和Tau的聚集物进行提取，并通过电镜分析以及利用原代神经元进行处理发现，Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠内源Ab和Tau聚集物与3xTg小鼠来自AD病人突变的Ab和Tau聚集物具有类似的纤维状结构，并且能够促进神经元的凋亡以及Tau蛋白磷酸化。更重要的是，将Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠体内提取的Ab和Tau聚集物分别定位注射至APP/PS1（2月龄）和Tau P301S小鼠（3月龄）海马区域，2个月后进行分析发现APP/PS1和Tau P301S小鼠分别能够形成Ab斑块沉积以及Tau蛋白磷酸化病理特征（图4）。这些研究结果表明，Thy1-ApoE4/C/EBPβ小鼠内源Ab和Tau形成的聚集物同样可以作为病理种子在脑内散播并诱发新的病理发生。

图4. 小鼠内源Tau聚集物的在体功能分析

（图源：Z. Qian et al. Molecular Psychiatry, 2024）

此外，研究人员还对比分析了3xTg和Thy1-ApoE4/C/EBPβ 小鼠在神经炎症水平、神经细胞凋亡以及突触蛋白功能等方面的变化。研究结果表明，Thy1-ApoE4/C/EBPβ 小鼠随着年龄的增加神经炎症水平上升、神经元凋亡加剧以及突触功能受损加重。综合上述结果表明：Thy1-ApoE4/C/EBPβ 小鼠不携带任何AD突变基因，能够利用小鼠内源机制和病理蛋白，随着年龄增加自发形成AD病理特征，可以作为一种散发性AD小鼠模型。

文章结论与讨论，启发与展望

目前研究多认为小鼠体内源Ab和Tau不能聚集形成病理沉积 。基于团队长期的研究理论支持，提出C/EBPb/AEP形成的信号途径是引发AD发生发展的核心调控机制，而ApoE4通过激活CEBPβ/AEP途径，进而驱动AD的发生发展。由此，本研究构建了Thy1-ApoE4/C/EBPβ 小鼠，期望其能自发形成AD的病理特征。本研究以常用的遗传性AD模型3xTg小鼠作为对照，并利用临床诊断AD的“四大黄金标准”，充分验证了Thy1-ApoE4/C/EBPβ 小鼠能够利用小鼠内源Ab和Tau形成病理聚集物，并能够重塑AD发病过程中的重要病理特征，包括认知、学习和记忆功能的障碍、大脑体积的萎缩、Aβ和Tau的PET影像的病理特征等。本研究证实了该小鼠能够模拟散发性AD的形成，可作为一种新的AD小鼠模型开展病理机制以及新药物研发的研究。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41380-024-02565-x

本文第一通讯作者为叶克强教授，深圳理工大学（筹）生命健康学院生物系主任，本文第一作者是钱政江博士，中国科学院深圳先进技术研究院脑所副研究员。本研究得到了国家自然科学基金重点项目(32330040)，国家自然科学基金青年基金项目(32200928)，广东省基础与应用研究项目(2023A1515030296)，深圳市面上项目(JCYJ20220531100802005)等基金的支持。

叶克强教授（左）；钱政江博士（右）

（照片由叶克强实验室提供）

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参考文献 

1. Scheltens P, De Strooper B, Kivipelto M, Holstege H, Chételat G, Teunissen CE, et al. Alzheimer's disease. Lancet (London, England). 2021;397(10284):1577-90.

2. Corder EH, Saunders AM, Strittmatter WJ, Schmechel DE, Gaskell PC, Small GW, et al. Gene dose of apolipoprotein E type 4 allele and the risk of Alzheimer's disease in late onset families. Science (New York, NY). 1993;261(5123):921-3.

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编辑︱王思珍
本文完