科学家发现了阿尔茨海默病和痴呆中神经元死亡的新原因
长期以来，痴呆症中的细胞死亡一直是一个令人困惑的问题。在阿尔茨海默病和额颞叶痴呆中，有毒蛋白质在神经元内堆积，但这一堆积导致脑细胞丧失的确切途径仍然模糊。伦敦国王学院和英国痴呆症研究所的一项研究如今提出，一个缺失的环节可能是一种新定义的称为“核凋亡”的过程，在此过程中，神经元的细胞核在细胞死亡前皱缩并破裂。
这项发表在《自然通讯》上的研究将这一过程与蛋白毒性应激联系起来，即当受损或错误折叠的蛋白质积累且细胞的清理机制无法跟上时所产生的负担。在死后脑组织中，研究团队在阿尔茨海默病和额颞叶变性患者的神经元中发现了大量核凋亡标志物，表明这并非实验室中的罕见现象，而是人类疾病的特征。
“这项研究是伦敦国王学院十年研究的结晶，从我们首次在一种相对罕见的疾病中发现核凋亡，到发现它是影响数百万人的痴呆症的常见特征。”
当细胞核开始失效
研究人员着手了解当细胞凋亡（最著名的程序性细胞死亡形式）无法完全解释正在发生的事情时，蛋白毒性应激如何杀死神经元。神经元是非同寻常的细胞。它们为长期存活而构建，且相对抵抗细胞凋亡，这使得确定神经退行性疾病中神经元丧失的单一途径更加困难。
在使用神经母细胞瘤细胞、大鼠原代皮层神经元、果蝇和人干细胞来源神经元的实验中，研究团队发现了一致的模式。当自噬-溶酶体系统（细胞的主要废物处理途径之一）长期受损时，神经元开始出现核纤层蛋白B1的变化，该蛋白有助于维持核纤层（细胞核周围的结构外壳）。核纤层蛋白B1不再留在原位，而是在细胞质中形成点状聚集，细胞核轮廓失去正常形状，细胞萎缩。DNA损伤后来才出现，而非首先发生。这一顺序很重要，因为它表明核崩溃不仅仅是DNA损伤的副作用，而是一个独立的死亡途径中更早的事件。
研究团队还排除了其他几种更知名的机制。应激细胞未显示细胞凋亡的经典标志，包括caspase-3激活或caspase介导的PARP-1裂解。它们也缺乏坏死性死亡途径（如坏死性凋亡、铁死亡或parthanatos）中预期的特征。证据反而指向一个以细胞核自身崩溃为中心的不同过程。
从有毒蛋白质到神经元丧失的途径
该研究将核凋亡定义为一种由蛋白毒性应激引发的非凋亡、非坏死性细胞死亡形式。在此途径中，核纤层失稳，细胞核退化，核物质以大细胞外囊泡的形式被推出细胞。最终结果是细胞萎缩、DNA损伤和死亡。
为了验证这在人工应激细胞之外是否具有相关性，研究团队测试了与肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆相关的疾病蛋白，特别是C9ORF72相关疾病中产生的有毒二肽重复蛋白。在大鼠神经元中，脯氨酸-精氨酸重复蛋白强烈触发了核凋亡的迹象，包括核纤层蛋白B1点状聚集、扭曲的细胞核形状和DNA损伤，同样没有细胞凋亡caspase激活的证据。果蝇模型中也出现了类似变化。
蛋白质负担越接近细胞核，损伤看起来越严重。在果蝇中，有可见核内包涵体的细胞显示出比邻近没有这些包涵体的细胞更严重的核扭曲。这为研究人员提供了有毒蛋白质聚集、核应激与这种细胞死亡形式之间更直接的联系。
研究结果还扩展到由诱导多能干细胞衍生的人类神经元。当这些神经元经处理导致自噬清除受损时，细胞数量下降，TDP-43（一种与肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆密切相关的蛋白质）移位出细胞核。当研究人员阻断涉及p38 MAP激酶的应激反应途径时，这两种变化均显著得到挽救。
一个可能存在药物靶点的分子开关
p38途径成为该研究最重要的线索之一。研究人员发现p38 MAP激酶通过磷酸化核纤层蛋白B1来帮助调节核凋亡。他们确定了核纤层蛋白B1上的Ser391为p38靶点残基，并显示在核凋亡期间一个50千道尔顿的核纤层蛋白B1片段的磷酸化水平上升，而在p38被抑制时下降。
这一点很重要，因为阻断p38信号传导减少了细胞和动物模型中核形状不规则性及其他核凋亡特征，尽管它并未消除潜在的p62堆积（另一种蛋白质清除受损的标志）。换句话说，毒性应激仍然存在，但其中一个破坏性的下游步骤可以被中断。
研究团队通过基因实验进一步推进。一种不可磷酸化的核纤层蛋白B1突变体在人类成纤维细胞中对与衰老相关的蛋白质丧失更具抵抗力。在果蝇中，匹配的核纤层蛋白突变改善了随年龄增长的核纤层稳定性，并在自噬受损模型中部分挽救了生存率和神经元核形状缺陷。在表达有毒C9ORF72重复蛋白的果蝇中，抑制p38活性或阻止核纤层蛋白磷酸化延长了寿命并减少了核损伤。
“通过特异性靶向p38 MAP激酶与核纤层蛋白B1之间的相互作用，我们可能减缓细胞死亡过程，为针对特定神经退行性疾病的更精准疗法争取时间。”——马诺利斯·凡托博士，伦敦国王学院精神病学、心理学与神经科学研究所功能基因组学高级讲师。
痴呆症大脑中出现核凋亡迹象
最具临床重要性的证据来自人类脑组织。研究人员使用死于额颞叶变性或终末期阿尔茨海默病的人额叶皮层尸检样本，以及年龄和性别匹配的对照组，采用单细胞成像和k-means聚类法根据结构特征对神经元进行分类，而不告诉算法每个细胞来自哪个疾病组。
该分析揭示了几个神经元簇，其形状和核纤层蛋白B1模式与核凋亡的早期和晚期阶段相匹配。在第二个数据集（包括来自20个病例的763个细胞）中，额颞叶变性或阿尔茨海默病中早晚期核凋亡的合并效应大小为35%至37%，而对照组为17%。该研究随附的早期摘要中单独分析了阿尔茨海默病组织，报告了35%的额叶皮层细胞出现核凋亡迹象，而健康老年对照组为15%。
对照大脑中存在一些核凋亡特征表明该过程也可能在正常衰老中起作用。但疾病中的额外负担非常突出。作者估计，在他们研究的痴呆症组中，核凋亡可能解释了额外18%至20%的神经元变性。
脑细胞丧失
“脑细胞的死亡和丧失导致了痴呆症患者经历的许多症状。我们的研究揭示了一系列新的化学事件，这些事件可以协调脑细胞中的细胞死亡。我们已经开始描绘核凋亡如何工作的路线图，我很期待看到这可能在痴呆症研究界及其他领域推动的未来突破。”——丽贝卡·卡斯特顿博士，伦敦国王学院英国痴呆症研究所高级研究员，该论文第一作者。
作者也指出了局限性。大部分机制是在细胞和动物模型中阐明的，完整的分子事件时间线仍需重建。细胞外囊泡的作用——它们是试图释放压力的阀门还是死亡过程本身的一部分——仍未解决。
“几十年来，我们知道有毒蛋白质在阿尔茨海默病和额颞叶痴呆中堆积，但确切如何导致脑细胞丧失一直不清楚。识别核凋亡是寻找能够阻止或减缓细胞丧失的治疗靶点的关键一步。它可能为那些针对疾病根本原因的治疗手段扩大时间窗口，让我们更接近痴呆症治愈。这就是英国阿尔茨海默症研究所资助和支持研究的原因。”——萨拉·罗德里格斯博士，英国阿尔茨海默症研究所高级研究经理。
该研究的实际意义
这些发现并不等同于一种治疗方法，但它们使寻找治疗方法的方向更加明确。通过确定从有毒蛋白质应激到核崩溃的途径，该研究提供了一个比单纯的蛋白质堆积这一宽泛问题更具体的靶点。
如果药物能够安全地干扰p38 MAP激酶与核纤层蛋白B1的相互作用，它们可能能够减缓脆弱神经元的丧失，并延长其他针对特定疾病的疗法可以发挥作用的时间窗口。
该研究还表明，未来的痴呆症研究可能需要同时追踪多种细胞死亡途径，而不是假设一种机制解释所有神经元丧失。
研究结果已在线发表于《自然通讯》期刊。
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