袁增强/张华点评 Transl Neurodegener︱唐铁山/郭彩霞团队发现羧肽酶E可改善阿尔兹海默症的神经发生与记忆能力

【神经科学前沿技术培训系列】技能培训班，详见文末

撰文︱蒋东方 刘红美

审阅︱唐铁山

点评︱袁增强（军事医学研究院），张华（德克萨斯大学西南医学中心）

责编︱王思珍

哺乳动物脑内主要存在两个活跃的成体神经发生区，侧脑室外侧壁的脑室下区（subventricular zone,，SVZ）和海马齿状回的颗粒下区（subgranular zone，SGZ）。成体神经发生区可持续产生新生神经元，通过整合至已有神经环路中来参与学习和记忆等多种认知功能的调控。衰老会导致成体神经发生持续下降，在阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）等病理条件下该现象加剧[1, 2]。成体神经发生下调可导致脑内细胞更替能力下降、新生神经元减少以及神经功能受损等。有证据显示AD病人的认知障碍与成体神经发生的缺陷密切相关[2]，但具体机制与治疗靶标尚不清晰。

2024年4月26日，中国科学院动物研究所唐铁山课题组与北京基因组研究所郭彩霞课题组合作在Translational Neurodegeneration期刊上发表了题为“Agomirs upregulating carboxypeptidase E expression rescue hippocampal neurogenesis and memory deficits in Alzheimer's disease”的研究论文，阐述了羧肽酶E（carboxypeptidase E，CPE）CPE对衰老和AD小鼠成体海马神经发生的正向调控作用，并通过开发上调CPE表达的microRNA agomirs，有效缓解了AD小鼠行为认知障碍及相关病理表型，为AD疾病的干预或治疗提供了新的策略。（拓展阅读：唐铁山/郭彩霞课题组，详见“逻辑神经科学”及姊妹号“岚翰生命科学”报道（点击阅读）：Cell Biosci︱唐铁山/郭彩霞团队揭示ER Ca2+过载激活IRE1α信号并促进细胞存活的机制；Cell Biosci 综述︱唐铁山团队评述染色质重塑在神经发育和神经退行中的作用、机制及小分子调控；Cell Death Dis︱唐铁山/郭彩霞团队揭示TMCO1缺失影响胼胝体发育的机制）

研究显示，在衰老及AD模型小鼠APP/PS1的海马区，CPE的水平显著降低；BDNF前体（proBDNF）向BDNF成熟体（mBDNF）转换的过程受阻；BDNF-TrkB信号通路受损（图1），这与该团队之前报道的SVZ区变化趋势相同[3]，提示CPE-BDNF-TrkB通路缺陷也是导致衰老与AD海马区成体神经发生下降的关键因素之一。

图1 CPE与BDNF-TrkB信号通路在年老和AD中显著下调

（图源：Jiang DF, et al., Transl Neurodegener, 2024）

随后研究人员外源补充CPE至年老小鼠脑内，发现显著提高了海马区mBDNF的水平并促进了成体神经发生过程，说明CPE可作为恢复年老和AD海马区神经发生的有效药物靶标。

最近，新兴的寡核苷酸疗法由于其突出的药物开发特征[4]，为多种疾病包括神经退行性疾病的干预/治疗带来了新的希望。MicroRNA是一种长度在21~23个核苷酸的非编码RNA，可以调控基因转录后表达，一些靶向基因5 ' UTR序列的microRNA可以上调基因表达[5]。经化学修饰的microRNA agomir在动物体内具有更高的稳定性，因此靶向疾病相关因子的microRNA agomirs可为疾病治疗提供新机遇。

接下来研究人员通过筛选可以上调CPE表达的microRNA，开发了两种可显著增加海马区CPE表达的agomirs，即miR-7031-3p和miR-1982-5p。研究人员发现无论是侧脑室注射还是非损伤性的经鼻给药方式（图2a），两种agomirs均可促进APP/PS1小鼠mBDNF的生成、挽救成年海马神经发生（图2b）、促进新生神经元树突发育（图2c）、显著改善AD小鼠的认知功能（图2d和e）。

图2 Agomirs促进APP/PS1海马神经发生并改善认知功能

（图源：Jiang DF, et al., Transl Neurodegener, 2024）

淀粉样斑块沉积和神经原纤维缠结是AD的病理标志[6]。为了研究agomirs对AD小鼠认知功能的改善是否涉及AD的病理性标志变化，研究人员进行了一系列组织切片检测分析。研究显示，APP/PS1小鼠海马区CPE富集区与Aβ斑块呈现高度共定位现象（图3a），且两者都表现出两种以上的结构形态：即非纤维型弥漫状斑块（non-fibrillar diffuse plaques）和纤维型经典实核状斑块（classic cored plaques，也称为focal plaques)。有趣的是实核状CPE样沉淀只出现在老年(18月龄以上)小鼠脑中。已有证据表明，经典的实核状斑块与临床病人痴呆的表型相关性更强[7]，提示CPE斑块可作为神经衰老和AD病理性变化的生物标志物。该团队还发现APP/PS1小鼠中，CPE实核状斑块附近的胶质细胞中mBDNF表达上调（图3b）。前人有报道表明mBDNF可促进小胶质细胞的活化[8]，该团队进一步检测发现CPE实核状斑块周围富集活化的小胶质细胞（Iba1⁺）图3c），其可能对沉积的实核状斑块具有清除作用。随后，研究人员发现两种agomirs均可显著降低APP/PS1小鼠脑中的实核状斑块数量（图3d和e）。

图3 Agomirs改善APP/PS1小鼠的Aβ病理表型

（图源：Jiang DF, et al., Transl Neurodegener, 2024）

此外，团队还研究了两种agomirs对APP/PS1小鼠的其他AD相关病理表型的影响，发现Tau过度磷酸化和沉积、小胶质细胞增生、星形胶质细胞增生以及突触丧失等表型也表现出了明显的缓解作用（图4）。

图4 Agomirs改善APP/PS1小鼠的其他病理表型

（图源：Jiang DF, et al., Transl Neurodegener, 2024）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究揭示了CPE通过BDNF-TrkB通路来正向调控成体海马神经发生的机制。该研究随后通过筛选，开发了miRNA agomirs来上调CPE表达，以达到促进mBDNF的生成、促进海马神经发生、增加海马新生神经元的树突长度及复杂性、改善认知能力等目的。值得指出的是，该研究开发的agomirs除了具有促神经发生的功能外，还对部分AD相关病理表型起到了缓解作用。因此，靶向CPE的agomirs有望成为干预或治疗AD及其他神经退行疾病的潜在药物。特别值得注意的是，该研究还发现非侵入性鼻内递送agomirs的方式足以上调CPE的表达，并改善APP/PS1小鼠的行为和神经认知功能，这对于治疗AD核酸类药物研发具有重要的意义。该研究还存在不足之处，如CPE在胞外与Aβ斑块发生共聚集的分子机制尚不明确；此外，CPE对实核状斑块数量降低等病理表型的改善机制也有待进一步研究。

专  家  点  评

袁增强（教授，军事医学研究院）

在阿尔茨海默症（Alzheimer's disease，AD）的发生和发展中，海马颗粒下层（SGZ）的成体神经发生也会受到影响，神经干细胞的耗竭速度明显加快，成体神经发生水平下降，这也是神经元丢失的重要原因。中国科学院动物研究所的唐铁山团队与北京基因组所郭彩霞团队最新在Translational Neurodegeneration杂志合作发表的研究成果发现，衰老和AD小鼠的海马区存在神经生长因子相关通路缺陷，通过回补生长因子加工酶羧肽酶E（CPE），可明显恢复衰老和AD小鼠神经发生区的成体神经发生过程。团队前期已经发表了文章证明CPE可调控成熟脑源性神经营养因子的产生并促进SVZ区原位神经发生（Life Medicine， 2023）。因此，这项研究是该团队早前研究成果很好的拓展和验证。重要的是，该团队通过筛选可促进CPE表达的miRNA分子，获得了2个可明显促进神经发生的miRNA类似物（经特殊化学修饰的miRNA agomir）；进一步在衰老小鼠和AD小鼠中发现，无论是侧脑室注射还是非损伤的经鼻给药方式，这2个agomirs均可提高CPE的表达并显著增强AD小鼠脑DG区的神经发生，促进疾病小鼠DG区的神经干细胞增殖和神经分化，显著改善AD小鼠的认知功能。这些发现为开发促进原位神经发生、干预或治疗与衰老相关的神经退行性疾病提供了有效的新策略。目前AD新药研发发展强劲，且寡核苷酸疗法发展日新月异，多种寡核苷酸药物获得FDA批准。后续如能深入分析该核酸药物的作用机制，进一步筛选针对人有效的寡核苷酸序列，提高其入脑效率，有望形成干预或治疗阿尔茨海默症（AD）的首个寡核苷酸药物。

张华（助理教授，美国德克萨斯大学西南医学中心）

衰老、阿尔兹海默症、帕金森病等神经退行性疾病都涉及神经元丢失或神经功能/环路受损，其中成体神经发生能力的显著下降是神经衰老和神经退行的重要原因之一。近年来，唐铁山团队和合作者致力于研究衰老或阿尔兹海默症如何影响成体神经发生过程。团队基于衰老进程中小鼠脑成体神经发生区的单细胞转录组学数据，揭示了成体神经干细胞的新亚群、新特征以及随衰老而动态变化的细胞间通讯与分子表达差异；发现了在年老神经干细胞中，由于羧肽酶E（CPE）的缺乏导致了前体BDNF的成熟过程受损，进而导致mBDNF-TrkB通路缺陷，从而限制了老年脑内的成体神经发生过程。有趣的是阿尔兹海默症小鼠的神经发生区也存在CPE-mBDNF-TrkB缺陷，这为理解衰老和阿尔兹海默症导致神经再生能力丢失的机制提供了新视角。最新发表在Translational Neurodegeneration杂志的研究中，唐铁山团队和合作者进一步确定了CPE是阿尔兹海默症脑内mBDNF-TrkB通路重建以及恢复海马成体神经发生的有效靶标；采用寡核苷酸干预的方法，筛选了靶向上调CPE的agomirs；随后通过侧脑室注射给药和非损伤性的经鼻给药递送方式，实现了阿尔兹海默症小鼠行为认知能力的改善以及部分病理表型的缓解，为进一步研发干预或治疗阿尔兹海默症的核酸类药物奠定了重要基础。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s40035-024-00414-z

中国科学院动物研究所蒋东方博士生、刘红美副研究员和李婷婷博士为论文共同第一作者，动物研究所唐铁山研究员、北京基因组研究所郭彩霞研究员以及动物研究所刘红美副研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和北京自然科学基金项目的支持。

通讯作者：唐铁山（左）郭彩霞（右）

（照片提供自：唐铁山/郭彩霞团队）

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参考文献 

[1] Navarro Negredo P, Yeo RW, Brunet A. Aging and rejuvenation of neural stem cells and their niches. Cell Stem Cell. 2020;27(2):202–23.

[2] Tobin MK, Musaraca K, Disouky A, Shetti A, Bheri A, Honer WG, et al. Human hippocampal neurogenesis persists in aged adults and Alzheimer’s disease patients. Cell Stem Cell. 2019;24(6):974–82.

[3] Liu H, Jiang D, Yao F, Li T, Zhou B, Zhao S, et al. Restoring carboxypeptidase E rescues BDNF maturation and neurogenesis in aged brains. Life Med. 2023;2: 1–17.

[4] Sun P, Liu DZ, Jickling GC, Sharp FR, Yin KJ. MicroRNA-based therapeutics in central nervous system injuries. J Cereb Blood Flow Metab. 2018;38(7):1125–48.

[5] Long JM, Maloney B, Rogers JT, Lahiri DK. Novel upregulation of amyloidbeta precursor protein (APP) by microRNA-346 via targeting of APP mRNA 5’-untranslated region: implications in Alzheimer’s disease. Mol Psychiatry. 2019;24(3):345–63.

[6] Long JM, Holtzman DM. Alzheimer disease: an update on pathobiology and treatment strategies. Cell. 2019;179(2):312–39.

[7] Liu F, Sun J, Wang X, Jin S, Sun F, Wang T, et al. Focal-type, but not diffusetype, amyloid beta plaques are correlated with Alzheimer’s neuropathology, cognitive dysfunction, and neuroinflammation in the human hippocampus. Neurosci Bull. 2022;38(10):1125–38.

[8] Ding H, Chen J, Su M, Lin Z, Zhan H, Yang F, et al. BDNF promotes activation of astrocytes and microglia contributing to neuroinflammation and mechanical allodynia in cyclophosphamide-induced cystitis. J Neuroinflammation. 2020;17(1):19.

编辑︱王思珍
本文完