痴呆症中的细胞死亡长期以来一直是一个令人沮丧的问题。在阿尔茨海默病和额颞叶痴呆中，有毒蛋白质在神经元内部堆积，但从这种堆积到脑细胞损失的确切路径一直模糊不清。伦敦国王学院和英国痴呆症研究所的一项研究认为，缺失的一环可能是一种新定义的细胞死亡过程，称为核碎裂（karyoptosis），在此过程中，神经元的细胞核在细胞死亡前收缩并分解。
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，蛋白毒性应激是指当受损或错误折叠的蛋白质积累而细胞的清理机制无法跟上时所产生的负担。在尸检脑组织中，研究团队在相当一部分阿尔茨海默病和额颞叶脑叶变性患者的神经元中发现了核碎裂的标志物，表明这并非实验室中的罕见现象，而是人类疾病的特征。
"这项研究是国王学院10年探索的结晶，从我们首次在一种相对罕见的疾病中识别出核碎裂，到发现它是影响数百万人的痴呆症的普遍特征。"
（图片说明：核碎裂的标志物已在阿尔茨海默病和额颞叶痴呆大脑中被发现。）
当细胞核开始衰竭
研究人员试图了解当已知的程序性细胞死亡形式——凋亡——不能完全解释所发生的情况时，蛋白毒性应激如何杀死神经元。神经元是一种特殊的细胞，它们为长期生存而构建，对凋亡相对抵抗，这使得更难确定神经退行性疾病中细胞损失的单一通路。
在使用神经母细胞瘤细胞、大鼠原代皮质神经元、果蝇和人类干细胞衍生神经元的实验中，研究团队发现了一个一致的模式。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，神经元开始显示层粘连蛋白B1的变化，这是一种帮助维持核纤层（细胞核周围的结构壳）的蛋白质。
层粘连蛋白B1不再保持原位，而是在细胞质中形成点状结构，细胞核轮廓失去规则形状，细胞萎缩。DNA损伤随后出现，而非首先发生。这一序列很重要，因为它表明核分解不是DNA损伤的副作用，而是单独死亡途径中的早期事件。
研究团队还排除了其他几种更为人熟知的机制。受应激的细胞未显示凋亡的经典标志物，包括caspase-3激活或caspase介导的PARP-1切割。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本身崩溃为中心的独特过程。
从有毒蛋白质到神经元损失的途径
该研究将核碎裂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。在此通路中，核纤层不稳定，细胞核退化，核物质被推出细胞形成大型细胞外囊泡。最终结果是细胞萎缩、DNA损伤和死亡。
（图片说明：自噬清除受损触发核退化和排出以及细胞死亡。）
为了观察这是否与人为应激的细胞之外的情况相关，研究团队测试了与肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）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碎裂的迹象，包括层粘连蛋白B1点状结构、扭曲的细胞核形状和DNA损伤，同样没有凋亡性caspase激活的证据。在果蝇模型中也出现了类似的变化。
越接近细胞核的蛋白质负担，损伤看起来就越严重。在果蝇中，具有可见核内包涵体的细胞显示出比没有这些包涵体的邻近细胞更严重的核扭曲。这为有毒蛋白质聚集、核应激和这种形式的细胞死亡提供了更直接的联系。
研究结果也延伸到人类干细胞衍生的神经元。当这些神经元被处理以损害自噬清除时，细胞数量下降，与ALS和FTD密切相关的TDP-43蛋白从细胞核中移出。当研究人员阻断涉及p38 MAP激酶的应激反应通路时，这两种变化都得到了显著改善。
可能可药物干预的分子开关
p38通路成为该研究最重要的线索之一。研究人员发现p38 MAP激酶通过磷酸化层粘连蛋白B1来调节核碎裂。他们确定层粘连蛋白B1上的Ser391是p38靶向残基，并表明在核碎裂过程中50千道尔顿层粘连蛋白B1片段的磷酸化增加，而在抑制p38时下降。
这一点很重要，因为在细胞和动物模型中阻断p38信号传导减少了核形状不规则和其他核碎裂标志，即使它没有去除p62（另一种受损蛋白质清除的标志物）的基础积累。换句话说，毒性应激仍然存在，但可以中断其中一个破坏性的下游步骤。
研究团队通过基因实验进一步推进了这一发现。非磷酸化的层粘连蛋白B1突变体在人类成纤维细胞中对与衰老相关的蛋白质损失更具抵抗力。在果蝇中，匹配的层粘连蛋白突变随着年龄增长提高了层粘连蛋白B的稳定性，并部分挽救了自噬受损模型中的存活率和神经元核形状缺陷。在表达有毒C9ORF72重复蛋白的果蝇中，减弱p38活性或防止层粘连蛋白磷酸化提高了寿命并减少了核损伤。
"通过特异性靶向p38 MAP激酶和层粘连蛋白B1之间的相互作用，我们可能减缓细胞死亡的过程，为针对特定神经退行性疾病的更精确疗法争取时间。"——伦敦国王学院精神病学、心理学和神经科学研究所功能基因组学讲师Manolis Fanto博士说道。
痴呆症大脑中的核碎裂迹象
最重要的临床证据来自人类脑组织。使用来自额颞叶脑叶变性或晚期阿尔茨海默病患者的额叶皮层尸检样本，以及年龄和性别匹配的对照组，研究人员使用单细胞成像和k-means聚类根据结构特征对神经元进行分类，而没有告诉算法每个细胞来自哪个疾病组。
该分析揭示了神经元簇，其形状和层粘连蛋白B1模式与核碎裂的早期和晚期阶段相匹配。在包含20个病例的763个细胞的第二个数据集中，额颞叶脑叶变性和阿尔茨海默病中早期和晚期核碎裂的综合效应大小为35%至37%，而对照组为17%。研究早期摘要突出了阿尔茨海默病组织中的类似模式，报告35%的额叶皮层细胞显示出核碎裂迹象，而健康老年对照组仅为15%。
对照组大脑中存在一些核碎裂特征表明这一过程也可能在正常衰老中发挥作用。但疾病中的额外负担显而易见。作者估计，在他们研究的痴呆组中，核碎裂可能占神经元变性的额外18%至20%。
（图片说明：γH2AX、DAPI和MAP2免疫荧光在用对照siRNA或Syntaxin17 siRNA处理72小时的大鼠原代皮质神经元中的图像。）
大脑中细胞的损失
"大脑中细胞的死亡和损失推动了许多痴呆症患者经历的症状。我们的研究揭示了一系列可以协调脑细胞死亡的新化学事件。我们已经开始勾勒出核碎裂如何工作的路线图，我很期待看到这可能在痴呆症研究界及更广范围内推动的未来突破。"——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Rebecca Casterton博士说道。
作者还指出了局限性。大部分机制是在细胞和动物模型中阐明的，分子事件的完整时间线仍需重建。细胞外囊泡的作用，无论是作为尝试的减压阀还是死亡过程本身的一部分，仍未解决。
"几十年来，我们一直知道有毒蛋白质在阿尔茨海默病和额颞叶痴呆中积累，但它们如何导致脑细胞损失的确切机制一直不清楚。
"核碎裂的识别是寻找可能阻止或减缓细胞损失的治疗方法靶点的关键一步。它可能有助于拓宽针对疾病根本原因的疗法的窗口，使我们更接近痴呆症的治愈。这就是为什么阿尔茨海默病研究英国基金会资助和支持研究。"——阿尔茨海默病研究英国基金会高级研究经理Sara Rodrigues博士说道。
研究的实际意义
这些发现并不等同于治疗方法，但它们使寻找治疗方法更加精准。通过确定从有毒蛋白质应激到核分解的路径，该研究提供了一个比单纯的蛋白质堆积问题更具体的靶点。
（图片说明：p38 MAPK通过层粘连蛋白B1磷酸化抑制可挽救C9ORF72 DPRs在体外和体内ALS/FTD模型中引发的核碎裂。）
如果药物能够安全地干扰p38 MAP激酶和层粘连蛋白B1的相互作用，它们可能能够减缓易损神经元的损失，并延长其他疾病特异性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几种细胞死亡途径，而不是假设一种机制解释所有神经元损失。
研究结果在线发表在《自然通讯》杂志上。
原始故事"Scientists discover new cause of neuron death in Alzheimer's and dementia"发表在《The Brighter Side of News》上。
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