蔡理慧团队揭示APOE4影响小胶质细胞和神经元双向交流新机制

撰文 | 咸姐

小胶质细胞是大脑中的常驻巨噬细胞，它可通过清除死亡的神经元、修剪非功能性突触和产生支持神经元存活的配体来帮助调节大脑功能，在大脑发育和终身维持适当的神经元功能中发挥着不可忽视的作用。然而最近的研究发现，小胶质细胞还可以积极调节神经元活动【1】，这就不得不让人猜测，神经系统疾病的典型特征——神经元兴奋性的改变，是否与小胶质细胞监测和神经网络调节的早期缺陷有关呢？比如阿尔兹海默症（AD），人们已经在其非神经元细胞高度表达或单独表达的基因中发现了大量的风险变异【2】，但是胶质细胞中富集的疾病相关基因变异如何影响神经网络动力学仍然是个谜。在中枢神经系统内，载脂蛋白E（APOE）主要由胶质细胞表达，而APOE4是目前已知的发生晚发性AD的最大遗传风险因素，有趣的是作为多态性基因APOE的另一个更常见等位基因APOE3则被认为一般与疾病无关，那么APOE4小胶质细胞与神经元的相互作用与表达疾病中性APOE3等位基因的小胶质细胞有何不同呢？

2022年8月4日，来自美国麻省理工学院的Li-Huei Tsai团队在Cell Stem Cell上在线发表题为Lipid accumulation induced by APOE4 impairs microglial surveillance of neuronal-network activity的文章，探讨了AD相关风险基因APOE4对神经元和小胶质细胞之间的通讯的影响，通过对来自CRISPR编辑的APOE等基因系的细胞的组合实验，确定了APOE4诱导的小胶质细胞脂质代谢受损对神经元网络活性的功能后果，提示在携带APOE4的AD患者中观察到的异常神经网络水平紊乱可能部分是由非神经细胞脂质稳态受损引起的。

在大脑内，嘌呤能受体P2RY12在小胶质细胞中高度表达，使之能够感知细胞外ADP或ATP。此外，许多其他可溶性神经元因子被认为可以维持小胶质细胞处于监测状态，有趣的是，小胶质细胞也表达许多神经递质受体。那么，来源于iPSC的小胶质细胞是否表达介导神经元-小胶质细胞通讯的受体呢？本文研究人员首先诱导构建了人类小胶质细胞样细胞（iMGL），发现iMGL再现了控制神经元活动监测的受体的表达模式，而且可能感知分泌的神经元可溶性因子，如核苷酸或神经递质，通过构建前脑球体也验证了iMGL能够对更具生理性的神经元刺激作出反应。

高水平的神经元活动与体内大量的小胶质细胞钙瞬变有关，为了确定APOE4对神经元-小胶质细胞交流的功能影响，本文研究人员首先将APOE3球状体的条件培养基（CM）应用于APOE3或APOE4 iMGL单一培养，同时观察其钙瞬变。结果发现神经元CM在APOE4 iMGL中诱发的钙瞬变低于APOE3 iMGL。随后将针对各种类别的信号通路的选择性抑制剂联合应用于APOE3 iMGL后，研究人员发现在APOE4 iMGL中，嘌呤能信号通路受损。考虑到嘌呤能受体P2RY12的下调与小胶质细胞的激活状态有关，这个结果提示APOE4 iMGL的稳态监测状态发生了改变。进一步地对APOE3 iMGL、APOE4 iMGL以及两者在CM中培养的细胞（+CM）的转录谱进行分析显示，神经元条件培养基在APOE3和APOE4 iMGL中会引起不同的转录反应。例如，在APOE3 iMGL+CM中观察到炎症抑制因子的诱导，但APOE4 iMGL+CM所特有的神经元诱导转录因子与促进炎症或由促炎症刺激诱导巨噬细胞有关，这表明在APOE4 iMGL中该免疫检查点未被监测，从而可能导致下游免疫效应因子过度激活。与此同时，分析结果还显示，APOE4在小胶质细胞中的表达诱导了与促炎症状态相关的能量产生的代谢重编程。有趣的是，在暴露于神经元CM后，研究人员进一步检测到APOE4 iMGL中涉及脂质从头合成或调节其细胞储存的一个基因集的差异上调，其中酰基辅酶A合成酶ACSL1表现出最强烈的富集。随后的实验也证实，与APOE3 iMGL相比，APOE4 iMGL中的脂滴含量显著增加，而Ca2+动员可能是这背后调节的关键组成部分。

接下来，研究人员又评估了APOE4 iMGL对神经元活性的影响。结果显示，APOE4 iMGL降低了APOE3球状体培养物中钙瞬变的总数，破坏了APOE3神经元的协调神经元系综事件，但是并没有影响突触的大小或数量，由此提示有一种非吞噬机制可能介导APOE4 iMGL对受损神经元网络动力学的贡献。随后，研究人员将APOE3或APOE4 iMGL单一培养的培养基用于APOE3球状体培养，结果显示APOE4 iMGL CM造成了神经元钙瞬变的显著减少。实验发现APOE4 iMGL培养物的上清液中富含APOE和胆固醇，而这一细胞外脂质积聚的现象是由于脂质内流缺陷造成的，APOE4 iMGL中脂质净流量失衡。

胆固醇对于正常的神经生理学是必不可少的，胆固醇的消耗会损害神经传递，但是胆固醇的增加又会促进淀粉样蛋白形成。本文研究人员发现外源性胆固醇可显著超极化神经元的静息膜电位（RMP），且内向整流钾（Kir）电流（强烈的Kir电流会超极化RMP并降低神经元兴奋性）增大。进一步的RNA测序分析显示APOE4 iMGL CM可显著上调APOE3球状体中GIRK3（一种G蛋白门控的内向整流K+通道Kir3.3）的转录水平，且增加神经元中的脂筏（GIRK通道定位于神经元膜上富含胆固醇的微区，通常被称为脂筏），并且其对于抑制APOE4 iMGL CM处理的神经元的神经元活性是必需的。由此证明细胞外胆固醇的积累（至少部分由于APOE4 iMGL对脂质的不良再摄取）可以通过增强GIRK电流抑制神经元活性。基于此发现，研究人员随后利用双向调节iMGL的脂质含量证实，增加脂质积累足以使小胶质细胞脱离稳态监测，表现出APOE4 iMGL状态的关键方面的拟表型，而抑制脂质积累可以恢复APOE4 iMGL中的嘌呤能信号，其培养基中胆固醇积累减少，减轻了对神经元活性的抑制。由此表明，维持小胶质细胞内脂质稳态可以维持正常神经元网络功能所需的监督稳态。

综上所述，本研究利用CRIPSR编辑诱导的iPSC证实APOE4小胶质细胞摄取脂质的能力降低，导致细胞外脂质净积累，从而损害了神经元活性，从而揭示了APOE4对神经元和小胶质细胞之间双向交流的影响。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.07.005

制版人：十一

参考文献

1. Badimon, A., Strasburger, H.J., Ayata, P., et al. (2020). Negative feedback control of neuronal activity by microglia.Nature586, 417-423.

2. Kunkle, B.W., Grenier-Boley, B., Sims, et al. (2019). Genetic meta-analysis of diagnosed Alzheimer's disease identifies new risk loci and implicates Abeta, tau, immunity and lipid processing.Nat. Genet.51, 414-430.

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。