科学家发现阿尔茨海默病和痴呆症中神经元死亡的新原因 - 认知障碍

痴呆症中的细胞死亡长期以来一直是一个令人困扰的问题。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称为"核碎裂"(karyoptosis)的过程，即神经元的细胞核在细胞死亡前收缩并分解。

发表在《自然通讯》上的这项工作将该过程与蛋白毒性应激(proteotoxic stress)联系起来，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，就会产生这种负担。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变性患者的神经元中发现了核碎裂的标记，这表明这不是实验室中罕见的异常现象，而是人类疾病的特征。

"这项研究是国王学院10年研究历程的结晶，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共同特征。"

Markers of karyoptosis, a newly defined form of cell death, have turned up in Alzheimer's and frontotemporal dementia brains. (CREDIT: Shutterstock)

当细胞凋亡(最广为人知的程序性细胞死亡形式)不能完全解释发生的情况时，研究人员开始了解蛋白毒性应激如何杀死神经元。神经元是不寻常的细胞。它们为长期生存而构建，对细胞凋亡相对有抵抗力，这使得更难确定神经退行性疾病中神经元损失背后的单一途径。

在使用神经母细胞瘤细胞、大鼠原代皮层神经元、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。当细胞的主要废物处理途径之一——自噬-溶酶体系统长期受损时，神经元开始显示LaminB1的变化，LaminB1是一种帮助维持核纤层(围绕细胞核的结构壳)的蛋白质。

LaminB1没有保持在原位，而是在细胞质中形成点状物，细胞核轮廓失去规则形状，细胞萎缩。DNA损伤随后出现，而不是首先发生。这个顺序很重要，因为它表明核崩溃不仅仅是受损DNA的副作用。它似乎是另一条死亡途径中较早发生的事件。

研究团队还排除了几种其他更广为人知的机制。应激细胞没有显示细胞凋亡的经典标志，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。

该研究将核碎裂定义为一种由蛋白毒性应激触发的非凋亡、非坏死性细胞死亡形式。在此途径中，核纤层变得不稳定，细胞核退化，核物质通过大细胞外囊泡被推出细胞。最终结果是细胞萎缩、DNA损伤和死亡。

Impairment of autophagic clearance triggers loss of nuclear degeneration and expulsion and cell death. (CREDIT: Nature Communications)

为了了解这一发现是否适用于人工应激细胞以外的情况，研究团队测试了与肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)相关的疾病相关蛋白，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LaminB1点状物、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。类似的变化出现在果蝇模型中。

蛋白质负担越接近细胞核，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比没有这些包涵体的邻近细胞显示出更严重的核扭曲。这为研究人员提供了有毒蛋白质聚集、核应激和这种细胞死亡形式之间更直接的联系。

这些发现也扩展到人类诱导多能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激酶的应激反应途径时，这两种变化都得到了显著改善。

Mutations impairing LaminB1 phosphorylation by p38 MAPK increases protein stability and rescue karyoptosis phenotypes. (CREDIT: Nature Communications)

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LaminB1来调节核碎裂。他们确定LaminB1上的Ser391是p38的目标残基，并表明在核碎裂过程中50千道尔顿LaminB1片段的磷酸化增加，而在p38被抑制时下降。

这很重要，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和其他核碎裂标志，即使它没有消除p62的潜在积累(这是蛋白质清除受损的另一个标志)。换句话说，毒性应激仍然存在，但其中一个破坏性下游步骤可以被中断。

研究团队通过基因实验进一步推进了这一发现。一种不可磷酸化的LaminB1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Lamin突变随着年龄增长改善了LaminB稳定性，并部分挽救了自噬受损模型中的存活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活性或防止Lamin磷酸化改善了寿命并减少了核损伤。

"通过特异性靶向p38 MAP激酶和LaminB1之间的相互作用，我们可能会减缓细胞死亡过程，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。

最具临床意义的证据来自人类脑组织。使用来自额颞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，而不告诉算法每个细胞来自哪个疾病组。

该分析揭示了神经元群集，其形状和LaminB1模式与核碎裂的早期和晚期阶段相匹配。在包含来自20个病例的763个细胞的第二个数据集中，额颞叶变性或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%。与工作一起发布的早期摘要强调了阿尔茨海默病组织中的类似模式，报告称35%的额叶皮层细胞显示核碎裂迹象，而健康老年对照组为15%。

对照脑中存在一些核碎裂特征表明此过程可能也在正常衰老中发挥作用。但疾病中的额外负担尤为突出。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%。

Suppressing LaminB1 phosphorylation by p38 MAPK rescues karyoptosis triggered by C9ORF72 DPRs in in vitro and in vivo ALS/FTD models. (CREDIT: Nature Communications)

"大脑中细胞的死亡和损失导致了痴呆患者经历的许多症状。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，我期待看到这可能为痴呆研究界及更广泛的领域带来的未来突破。"——伦敦国王大学英国痴呆症研究所高级研究员、该论文第一作者Rebecca Casterton博士。

作者还指出了局限性。该机制的大部分是在细胞和动物模型中研究出来的，分子事件的完整时间线仍需重建。细胞外囊泡的作用——它们是试图缓解压力还是死亡过程本身的一部分——仍未解决。

"几十年来，我们已经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能够停止或减缓细胞损失的治疗方法靶点的关键一步。它可能有助于扩大针对疾病根本原因的疗法的时间窗口，使我们更接近治愈痴呆症。这就是为什么阿尔茨海默病研究英国资助和支持研究。"——阿尔茨海默病研究英国高级研究经理Sara Rodrigues博士。

研究结果本身并不构成治疗方法，但它们使寻找治疗方法的搜索更加精确。通过识别从有毒蛋白质应激到核崩溃的路径，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。

如果药物能够安全地干扰p38 MAP激酶和LaminB1之间的相互作用，它们可能能够减缓脆弱神经元的损失，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多种细胞死亡途径，而不是假设一种机制可以解释所有神经元损失。

研究结果在线发表在《自然通讯》期刊上。

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。