阿兹海默症的研究人员正在比以往更多地使用人类诱导多能干细胞系来模拟该疾病。但从晚发性AD患者身上生成的ips细胞在多大程度上真正反映了大脑生物学?在8月26日的《神经元在线》(Neuron online)上,波士顿布莱根妇女医院(Brigham and Women’s Hospital)的特雷西·Young-Pearse领导的研究人员报告说,由53个这样的细胞系制成的神经元,其基因表达谱与相应的iPSC供体死后大脑中的神经元相似。值得注意的是,这些神经元培养中的淀粉样蛋白APP处理与供者死亡时大脑中的斑块负荷以及他或她的认知衰退率相关。

  • 诱导神经元中Aβ42的高产量反映了供体大脑中的斑块负荷。
  • 同样,聚集的磷酸化tau蛋白与缠结相关。
  • 在培养的神经元中,蛋白磷酸酶1活性连接Aβ42和p-tau蛋白。

“在这项研究中,我们认为我们不会看到这种一致性。“培养皿中的细胞和大脑之间有很多不同,”Young-Pearse说。“但我们能够在神经元中捕捉到AD的基因编码风险。”

数据还指向了与病理性Aβ和tau相关的特定途径和蛋白质。Young-Pearse认为,科学家可以免费获得这些iPSC系,它们将有助于识别疾病机制和测试治疗方法。

加州拉霍亚索尔克研究所(Salk Institute)的杰罗姆·默滕斯(Jerome Mertens)对此表示赞同。他在给Alzforum的信中写道:“我非常感谢作者为这一领域提供了如此杰出而有用的资源。”“这是一个巨大的绝技(见下面完整的评论)。

马里兰州贝塞斯达国家神经疾病和中风研究所的迈克尔·沃德(Michael Ward)赞扬了这项研究的创新方法。沃德写道:“这是iPSC技术的创造性应用,但也显示了在散发神经退行性疾病的细胞建模方面的一些挑战。”

例如,他指出AD组和对照组之间的APP处理差异很小,可能是由于个体之间的高遗传变异。沃德表示,研究更多的线条可能会加强研究结果。

我的数据。来自ROSMAP队列的诱导神经元的基因组、蛋白质组和转录组表型与供体的神经病理和认知状态相关。[Lagomarsino等人,Neuron, 2021年]

到目前为止,研究的许多阿尔茨海默病的iPSC系都是由早期AD患者产生的,捕捉到强烈的淀粉样蛋白表型(2012年1月的新闻2019年4月的新闻2019年8月的新闻).虽然一些来自散发型AD患者的iPSC系也积累了a β,但没有人对这些系模型AD的效果进行全面研究(2013年2月的新闻).

联合第一作者Valentina Lagomarsino和Richard Pearse II使用低温保存的外周血单个核细胞,这些细胞是由宗教教团研究和快速记忆和老化项目(ROSMAP)的53名参与者捐赠的,以产生iPSC系。所有53名捐献者都同意将他们的大脑捐献给尸检,但他们都已死亡。其中20个大脑没有阿尔茨海默病的病理,17个淀粉样蛋白阳性,但捐献者在死亡时认知健康,16个来自临床和神经病理学诊断为阿尔茨海默病的人。

从这些细胞系中,作者培养出了98%纯度的神经元,其基因表达谱与皮质谷氨酸神经元相似。这些未成熟的、孤立的细胞与来自大脑的成熟神经元有多相似?

作者比较了来自诱导神经元和来自相应供体大脑内侧前额叶皮层的大量RNA-Seq数据。他们发现,基因表达谱比随机预测的更相似,样本之间正相关的基因大约是负相关基因的两倍。这表明,在衰老的大脑中,至少有一些神经元基因表达是由遗传决定的,可以在培养中建模。

接下来,作者确定了在AD患者和具有高或低淀粉样蛋白病理的认知正常人群的诱导神经元之间始终存在差异的基因子集。他们发现在AD和低病理组之间有600多个基因发生了改变,在AD和高病理组之间有近300个基因发生了改变。这些表达变化属于特定的途径。例如,AD患者的神经元提高了突触传递和微管调控相关基因的表达,抑制了蛋白生产和凋亡相关基因的表达。这些差异中的许多在相应的死后大脑样本中得到了复制。对诱导神经元和死后大脑的蛋白质组学分析也发现了这些与ad相关的变化。

重要的是,作者发现,诱导神经元中的APP处理反映了供体大脑的AD状态。虽然Aβ的绝对含量在不同培养物之间没有差异,但Aβ42/Aβ37比值越高,对应的脑斑块越多。这表明γ分泌酶裂解的转变有利于更长、更多淀粉样变肽,促进了斑块沉积。这意味着Aβ42的增加有助于晚发性AD,就像它对早发性AD的作用一样。

较高的Aβ42/Aβ37比值也与认知能力的急剧下降相关。Young-Pearse认为,这不仅仅是Aβ42的问题,而且Aβ37可能具有保护作用。他指出,Aβ37诱导的神经元越多,供者的认知能力就越好。此前的一项研究证实,a β42/ a β37比a β42/ a β40 (Liu等人,2021年).

对于tau蛋白,作者也发现了诱导神经元和大脑之间的关系。通过western blot检测细胞裂解液中的tau蛋白,他们发现从诱导神经元中分离出的低分子量单体p-tau蛋白的数量与相应脑样本中的低分子量p-tau蛋白的数量相关。这个p-tau与p-tau181和p-tau217的抗体反应。

奇怪的是,一个大脑中含有的LMW - p-tau越多,其聚合的高分子量(HMW)就越少,其缠结也就越少。据报道,人脑中的HMW tau蛋白含有tau蛋白种子,并与更严重的疾病有关(杜雅尔丁等人,2020年).因此,LMW p-tau的过量可能反映了聚合tau种子的相对稀缺。

与此一致的是,诱导神经元中的LMW p-tau蛋白与供体的认知能力有关,而HMW p-tau蛋白则与认知能力有关。事实上,在一个诱导的神经元培养中,p-tau蛋白的类型可以预测供者的认知状态,甚至比一个人的斑块和缠结负担更好。

缺失的环节?蛋白磷酸酶1 (Protein phosphatase 1, PP1)位于Aβ42的产生和tau聚集的上游,潜在地揭示了病理之间的机制联系。[Lagomarsino等人,Neuron, 2021年]

总之,研究结果表明,供者的基因组对他或她的晚发AD风险有很大的影响。对于他们中的每一个,作者计算了一个基于GWAS的多基因风险评分,即使是那些名义上的显著性评分。高PRS评分与Aβ42/Aβ37比值相关,但与p-tau无关。

这加强了AD的遗传风险很大程度上源于APP的处理和代谢的观点。高PRS还与某些蛋白水平低相关,包括AD危险因子PICALM和蛋白磷酸酶1。

PP1之所以引起作者的兴趣,是因为它能去磷酸化tau蛋白,并且在AD大脑中含量较低。随后,科学家们发现,PP1活性与诱导神经元和大脑中的a β42/ a β37比值低有关。通过调节APP处理提高Aβ42/Aβ37比值,可降低PP1活性并增加HMW p-tau蛋白。而对诱导神经元中PP1的抑制则使HMW p-tau蛋白升高,而对Aβ42/Aβ37蛋白无明显影响。总之,这些发现提示,PP1的改变发生在Aβ变化的下游和tau的上游,并可能有助于将这两种病理联系起来。PP1在AD中的研究由来已久(例如,Sun等人,2003年).

尽管存在PRS相关性,但被诱导的神经元可能忽略了AD的大部分遗传风险,目前认为AD的大部分遗传风险是由小胶质细胞(2017年6月新闻2019年4月会议新闻2019年8月的新闻).在正在进行的工作中,Young-Pearse正在检测小胶质细胞和星形胶质细胞中Aβ的清除情况。

另一个限制是,诱导神经元是不成熟的,使它们成为衰老大脑的糟糕模型。最近的研究表明,直接从人类成纤维细胞产生的神经元,不经过iPSC阶段,保留了老化的表观遗传标记,可能更好地模拟大脑疾病(2021年6月新闻).Young-Pearse指出,这种方法也是ROSMAP队列中的一种选择,因为参与者的成纤维细胞是可用的。然而,成纤维细胞培养不可能像不朽的iPSC系那样易于扩展和共享,这就是为什么许多实验室目前坚持后者。

在这一点上,由Ward共同领导的iPSC神经退行性疾病计划使用同基因iPSC系来研究特定AD突变的影响(2021年5月新闻).Young-Pearse说,这一策略补充了她的零星AD系,后者更代表了多样化基因表达的“狂野西部”。她认为这两种方法都将有助于剖析AD机制。

一些实验室已经在使用Young-Pearse的方法来研究糖尿病和AD之间的联系,以及病毒和细菌感染如何影响发病机制。Young-Pearse说,因为从ROSMAP队列中可以获得丰富的数据,包括对每个参与者的全基因组测序,这些序列非常适合探索基因表达和健康结果之间的联系。-Madolyn鲍曼罗杰斯

评论

  1. 这是iPSC技术的创造性应用,但也显示了在散发性神经退行性疾病的细胞建模方面的一些挑战。作者进行了一项创新的交叉分析,从ipsc来源的神经元和匹配的死后大脑从健康和AD个体,识别潜在的失调途径。作为ROS和MAP队列的一部分,对所有iPSC供体进行了丰富的临床表型,进一步增加了已发表数据集的价值。

    然而,正如作者所指出的,尽管使用了稳健的基于ngn2的分化方法,在iPSC神经元实验中观察到的效应大小是相当小的。这可能是由多种因素造成的,包括iPSC系之间的内在变异和供体之间的遗传差异,以及(可能)散发性AD的生物学差异和相对适度的样本量(n=16 LOAD)。

    以ips为基础的其他散发性神经退行性疾病的研究——如Answer als正在进行的研究——是否能够通过使用大量的超过1000名参与者的样本量来克服这些挑战,这将是很有趣的。在未来,直接比较含有家族突变的品系和来自散发疾病个体的品系也将是有趣的。

  2. 在《Neuron》上阅读这篇文章的感觉在很多层面上都非常真实。我非常感谢作者为这一领域提供了如此杰出而有用的资源。它将加速阿尔茨海默病领域的发现。

    这是一个巨大的绝技,不仅对于深入的多组学和功能表型工作,而且对于清晰、逻辑、诚实的数据分析,考虑到病理、认知和iPSC神经元表型的个体变异性的现实表现。

    我惊喜地发现,作者能够发现iPSC神经元中的淀粉样蛋白和tau蛋白与同一个人的认知轨迹之间的重要联系。这些数据表明,至少对于“高病理”患者的子集,已确定的疾病路径与遗传风险有关,可以作为体外读数,也可以用于散发的LOAD模型。我没料到会这样。

    在这开启的众多实验可能性中,我特别兴奋的是,来自这一资源的iPSC衍生物可以用于探索各种衰老因素的影响,当加入到这一年轻化系统时,可能会强化已知的ad相关表型,并引发其他ad致病事件。

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参考文献

新闻引用

  1. AD患者的诱导神经元提示疾病机制
  2. 家族性阿尔茨海默病突变:不同的机制,相同的结果
  3. 家族性AD突变,β-CTF,核内体的拼写问题
  4. 患者来源的神经元中与内质网应激相关的Aβ寡聚体
  5. 小胶质母细胞调控因子调节AD风险基因表达,发病年龄
  6. 解析阿尔茨海默病的遗传风险如何通过小神经胶质细胞发挥作用
  7. AD基因风险与小胶质细胞基因表达变化相关
  8. 由成纤维细胞制成的神经元保留阿尔茨海默氏症的印记,老化
  9. iNDI旨在使人类干细胞研究标准化

论文被引用次数

  1. 早老性蛋白1的亲水环1和APP GxxxG跨膜基序调节γ分泌酶功能,产生阿尔茨海默病致Aβ肽J临床生物化学.2021 Jan-Jun; 296:100393。2月8日PubMed
  2. Tau分子多样性有助于阿尔茨海默病的临床异质性Nat地中海.2020年8月,26(8):1256 - 1263。2020年6月22日PubMed
  3. 抑制蛋白磷酸酶2A和蛋白磷酸酶1诱导大鼠tau蛋白过度磷酸化和空间记忆保持障碍神经科学.2003, 118(4): 1175 - 82。PubMed

进一步的阅读

主要论文

  1. 干细胞来源的神经元反映了老年人类供体的蛋白质网络、神经病理学和认知结果的特征神经元.2021年8月26日;PubMed