人类21号染色体(HSA21) 的三重重复会导致唐氏综合症(DS) ，还会导致DS患者出现多种神经生理病理，如进行性认知功能障碍以及随着年龄增长而恶化的学习和记忆缺陷。大多数患有DS的成年人表现出类似阿尔茨海默病(AD) 病理，包括老年斑块、神经原纤维缠结、突触功能障碍和基底前脑胆碱能神经元(BFCN)的变性。
氧化磷酸化途径中的缺陷对正常神经元功能具有破坏性影响，尽管已知氧化磷酸化途径在DS中失调，并且氧化磷酸化状态变化对正常神经元功能有害，但先前的研究缺乏在体内研究驱动病理的机制。
来自美国内森克莱恩研究所的研究团队在BFCN变性开始时（6个月）检查基底皮质的大脑区域内的基因和编码蛋白，进一步检查了Ts65Dn小鼠的氧化磷酸化途径失调的情况，结果证明BFCN中线粒体氧化磷酸化途径的复合体IV的基因和编码蛋白水平存在显着缺陷。
研究结果
为了了解基底皮质回路中氧化磷酸化的变化，作者检测了来自两个脑区的氧化磷酸化途径中五种复合物的RNA和蛋白质水平，这些区域对注意力、记忆力和执行功能至关重要，这些区域显示DS显著下降和AD的病理。复合物I、III、IV和V的多个亚基下调，但BFCN中复合物II亚基没有显着变化（图1）。
图1基底前脑胆碱能神经元(BFCN) 中氧化磷酸化通路成员明显下调
接下来在BFCN变性开始时，检测BF和额叶皮层（FrCtx）中RNA和蛋白质水平表达变化。
在氧化磷酸化途径中检查了来自复合物IV的六个亚基，利用了在BFCN中RNA-seq显著下调的转录本以及未差异调节的候选物，从而全面检查该通路的作用方式。此外还评估了Mt-Rnr1基因，该基因编码12S rRNA，作为总线粒体的RNA标记。结果显示复合物I中Mt-Nd1和Mt-Nd4l下调、复合物II中Sdha、复合物III中Mt-Cytβ差异不显着、复合物IV中Mt-Cox2差异不显著。
总线粒体rRNA（Mt-Rnr1）也显示出下调趋势（图2A）。Mt-Nd1区域BFCN基因表达仅在RT-qPCR实验数据呈下调趋势，表明这些变化是神经元特异性的。在DS（三体）的FrCtx样本中，总线粒体rRNA显着下调，BFCN的RNA-seq和FrCtx的RT-qPCR结果之间存在中等高度相关性（图2D）。
图2基底皮质回路中氧化磷酸化复合体IV 亚基基因表达情况
接下来评估了来自Ts65Dn和对照组小鼠的BF和FrCtx中复合物 IV的选择亚基的表达情况。结果显示复合物II-V 蛋白的表达相对较高，但复合物I 蛋白（NDUFB8）的表达相对较低，表明复合物I不是在基底皮质脑中表达的主要亚基组织（图3A）。
在BFCN复合物I中，NDUFB8的表达没有显着下调。然而，复合物II (SDHB)、III(UQCRC2,)、IV(MT-CO1) 和 V(ATP5A)的蛋白质下调（图3B)，这与BFCN的RNA-seq 数据高度相关（图3C）。
三体的FrCtx组织匀浆中蛋白质表达的唯一显着上调的是复合物I（图3E）。与RT-qPCR 结果相反，FrCtx 中的蛋白质水平与BFCNRNA-seq 数据无关（图3F）。
图3基底皮质回路中氧化磷酸化复合体IV 亚基蛋白表达情况
最后通过ATP的生化分析，间接检查了氧化磷酸化复合物的功能，发现三体的FrCtx中的 ATP水平显着降低（图3G），这与复合物V的Fr Ctx RT-qPCR 结果相匹配。
RT-qPCR分析和蛋白质化学分析揭示了氧化磷酸化基因和特定脑区蛋白质的表达情况。但是此种方法存在局限性。例如，氧化磷酸化途径中的这些复合体中的每一个都由许多亚基组成，目前的研究仅涉及少数基因或蛋白质。另一个限制是，无法比较没有被RNA-seq监测到的蛋白表达情况。
值得注意的是，这项研究是在雄性小鼠中进行的，BFCN退化程序中可能存在性别差异。此外，未来研究计划评估三体模型中的脆弱细胞类型、大脑区域、年龄和性别的差异影响。
总之，在已建立的DS和AD模型中，在BFCN变性发生的时间点对基底皮质回路内的RNA和编码蛋白水平检测，发现了参与氧化磷酸化途径成员的选择性失调。
这种缺陷似乎始于BFCN变性并在突触通路中传播，并将该区域连接到与记忆和执行功能相关的皮层终端区域，这对理解AD和DS病理进程中的氧化磷酸化过程提供帮助，并为延缓疾病病程提供潜在的治疗靶点。
参考文献
Melissa J. Alldred， SangHan Lee, Grace E. Stutzmann and Stephen D. Ginsberg，OxidativePhosphorylation Is Dysregulated Within the Basocortical Circuit in a6-month old Mouse Model of Down Syndrome and Alzheimer’sDisease，Front.Aging Neurosci., 19 August 2021 |https://doi.org/10.3389/fnagi.2021.707950
编译作者: 原代美少女 (Brainnews创作团队)
校审: Simon (Brainnews编辑部)
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