全基因組關聯研究和功能基因組學研究已將特定細胞類型、基因和途徑與阿爾茨海默病(AD)風險聯係起來。特別是AD風險等位基因主要影響巨噬細胞中表達的基因的豐度或結構,從而影響其活性,強烈暗示小膠質細胞(腦內巨噬細胞)與AD的病因有關。小膠質細胞是維持神經係統環境穩定的重要免疫細胞,通過研究阿爾茨海默病(AD)的相關基因變異以及基因在小膠質細胞中的功能影響對於闡明疾病風險機製和開發有效的治療方法至關重要。
全基因組關聯研究和功能基因組學研究已將特定細胞類型、基因和途徑與阿爾茨海默病(AD)風險聯係起來。特別是AD風險等位基因主要影響巨噬細胞中表達的基因的豐度或結構,從而影響其活性,強烈暗示小膠質細胞(腦內巨噬細胞)與AD的病因有關。小膠質細胞是維持神經係統環境穩定的重要免疫細胞,通過研究阿爾茨海默病(AD)的相關基因變異以及基因在小膠質細胞中的功能影響對於闡明疾病風險機製和開發有效的治療方法至關重要。
近期,《Neuron》期刊發表了題為“Microglial efferocytosis: Ping into the Alzheimer’s disease gene pool ”的綜述,作者回顧了多種AD風險等位基因聚集在包括內吞/吞噬作用、膽固醇代謝和免疫反應等在核心巨噬細胞功能中起的關鍵作用的通路途徑。重點介紹了在最新的AD遺傳學和基因組學研究中發現的相關基因,且描述了它們是如何參與AD發病機製。
阿爾茨海默病遺傳學
阿爾茨海默病 (AD) 是最普遍的癡呆類型,是一種神經退行性疾病,其特征是澱粉樣蛋白β肽 (Aβ) 在澱粉樣斑塊中異常沉積以及在神經原纖維纏結中異常沉積 tau 蛋白。除了這些經典的神經病理學特征外,Alois Alzheimer 還描述了與同名疾病相關的神經元丟失、明顯的神經膠質增生(神經膠質細胞的增殖和“激活”)和脂質沉積(“類脂顆粒”的細胞內積累)。阿爾茨海默氏病 (AD) 是最普遍的癡呆類型,是一種神經退行性疾病,其特征是澱粉樣蛋白β肽 (Aβ) 在澱粉樣斑塊中異常沉積以及在神經原纖維纏結中異常沉積 tau 蛋白。除了這些經典的神經病理學特征外,Alois Alzheimer 還描述了與同名疾病相關的神經元丟失、明顯的神經膠質增生(神經膠質細胞的增殖和“激活”)和脂質沉積(“類脂顆粒”的細胞內積累),預測先天免疫係統和膽固醇代謝失衡在AD發病機製中的重要作用。
常染色體顯性遺傳性AD (ADAD) 占病例的<1%,主要由三個基因( APP、PSEN1 和 PSEN2)之一的突變引起,所有這些基因都參與澱粉樣前體蛋白 (APP) 的蛋白水解加工以產生Aβ。澱粉樣變性APP 加工與 AD 之間的遺傳聯係導致了澱粉樣蛋白級聯假說 (ACH) 的出現。該機製理論表明,澱粉樣蛋白聚集和沉積是 AD 發病機製中的觸發事件。盡管這是最流行的假設,但它經常被改動,而且目前還沒有任何療法(包括旨在減少Aβ生成和澱粉樣蛋白積累的療法)能夠成功預防或減緩 AD 的發作或進展。散發性AD與遺傳性且發病時間較早的ADAD相比,其大多數病例都是散發性AD。盡管散發性 AD 通常細分為遲發性 AD (LOAD) 和早發性 AD (EOAD),但遺傳證據表明它們代表了一個連續的統一體,而不是兩個不同的群體。例如,載脂蛋白 E (APOE) 是LOAD 和 EOAD兩者的主要風險基因,其遺傳模式更類似於半顯性、中度外顯性孟德爾疾病基因,而不是複雜疾病的全基因組關聯研究 (GWAS) 確定的低風險常見等位基因。
此外,根據 LOAD 遺傳關聯研究生成的多基因風險評分 (PRS) 顯示 EOAD 的富集程度更高,正如所預測的那樣(遺傳負荷較高的疾病發病年齡較早)。基於此,作者團隊將在本次審查中提及 AD 而不是 LOAD/EOAD。ADAD 和 AD 共有臨床和病理特征。雖然 ADAD 基因根據定義幾乎完全外顯,但這些家族中有一些個體表現出外顯率降低的例子,例如PSEN1E280A哥倫比亞家族中APOE Christchurch 變異的攜帶者。
如上所述,APOE基因型具有中等外顯性,導致頻繁的家族聚集,而迄今為止發現的大多數其他 AD 風險等位基因具有低外顯率 (比值比<2)。盡管外顯率存在這些差異,但所有位點都具有因 果等位基因。在ADAD中,這些通常是特定基因的編碼變異,而對於散發性AD,這些更常見的是特定基因調控元件(GRE,例如啟動子和增強子)中的非編碼變異,因此將這些變異與特定基因和功能結果聯係起來更具挑戰性。
迄今為止,GWAS 已在 75 個基因組區域(位點)中識別出與 AD 相關的常見變異, 阿爾茨海默氏病測序計劃 (ADSP)生成並共享越來越多受影響和未受影響個體的全外顯子組/全基因組序列 (WES/WGS),現在也可以識別稀有與AD相關的變異(MAF<0.01)。遺傳變異(包括APOE基因)解釋了70%的AD遺傳性常,見和罕見的AD風險變異都集中在相似的細胞類型和途徑上。更具體地說,它們中的大多數影響GRE、基因和生物過程,這些過程盡管不是唯一的,但對巨噬細胞至關重要。在本綜述中,作者團隊將重點介紹它們對小膠質細胞功能的影響。
人類遺傳學和功能基因組學方法
微陣列技術的發展使人類群體規模的遺傳關聯分析成為可能。微陣列技術用於快速、廉價地對基因組中數十萬至數百萬單核苷酸多態(SNPs)進行基因分型。GWAS使用SNP陣列或WES/WGS基因型數據來測試不同表型的人之間變異的等位基因頻率的差異。GWAS的目標是識別與特定特征或疾病相關的變異。SNP陣列利用了共同的變體在稱為單倍型的組中一起遺傳(即處於連鎖不平衡[LD])的這樣一個事實,這種遺傳結構允許單個變體對整個單倍型進行“標記”,並根據參考人類基因組序列高精度地歸因於相關的變體。
GWAS SNP陣列中使用的群體參考板已經增長到包括更大密度的變異和更廣泛的等位基因頻率。例如,TRANS-OMICS for Precision Medicine(TOPmed)包括來自不同種族人群的200,000多個參考樣本和7.81億個變異位點。使用微陣列基因分型技術,大型的、更具種族多樣性的參考小組已經能夠對低頻和稀有變異進行歸類。
雖然取得了進展,但仍然存在嚴重差距。GWAS主要在歐洲血統的人群中進行,因此最常見的與AD相關的單倍型可能已經在該人群中被識別出來。然而,在非歐洲祖先中,樣本量要小得多(在大多數群體中<5000例),因此,出於科學和公平的原因,這些群體中非常需要更大的SNP陣列GWAS。在歐洲血統樣本中獲得更大數據集的原因之一是包含了來自英國生物庫和 23&Me 等生物庫的數據。這允許納入許多來自健康老年人的人口的控製,並開發了一種創新方法,該方法使用代理病例和基於有或沒有癡呆家族病史的基因分型個人的控製。然而,雖然納入以總體為基礎的對照方法增加了總樣本量,但提高GWAS的統計能力需要增加有效樣本量--平衡樣本設計(即50%病例和50%對照)中同等作用的GWAS的樣本量。這反映在隨著有效樣本量而不是總樣本量的增加,AD相關的基因座的總數增加(圖1)。雖然這種代用表型與AD風險有顯著的遺傳性,但它不是相同的表型,因為這些代用病例包括其他類型的癡呆症,而代用對照可能遺漏了輕度癡呆。
值得注意的是,一些基因座隻有在包括代理病例時才顯示出全基因組的統計意義,而其他基因座則低於這一顯著閾值,這表明代理病例利用了類似但不同的遺傳風險架構。歐洲人AD的進展速度、藥物開發背景下最相關以及神經成像和液體生物標記物測量在內的內表型,均未在大型GWAS中進行探索。
雖然基於SNP陣列基因分型的GWAS研究在識別與人類特征相關的常見單倍型方麵非常成功,但它們在臨床應用以及因果變異和基因識別方麵存在局限性。大多數常見的SNPs效應較小,這限製了其臨床預測價值。這個問題的一個潛在解決方案是通過根據風險等位基因的數量計算總體遺傳負擔,根據風險等位基因的數量,根據其影響大小估計進行加權。然而,目前使用的PRS方法還不能解釋足夠的遺傳風險,使它們在臨床上有用。GWAS發現的另一個限製是,與疾病相關的單倍型並不能準確定位因果變異和基因。單倍型內相關變異的LD使識別驅動疾病關聯的因果變異變得困難。
此外,大多數常見的疾病相關變異映射到基因組的非編碼區,使得很難識別介導其對疾病易感性的影響的基因。例如,最常見的與疾病相關的SNPs定位於GRE中,影響一段距離外的目標基因的表達水平。為了解決這些局限性,有必要對GWAs信號進行下遊分析,以確定因果功能、調控變體及其目標因果基因,包括利用功能基因組數據的精細圖譜和綜合方法。
盡管SNP陣列正在改進以包括更多的變體,但可歸因於SNP的集合仍然是GWAS的限製因素。識別與疾病相關的罕見變異的一種更準確的方法是直接對整個基因組或整個外顯子進行測序。基於WES/WGS的GWAS旨在捕獲所有的遺傳變異,而不局限於使用微陣列進行基因分型或輸入的SNPs。目前新一代測序的高昂價格是GWAS采用WES/WGS的限製因素。此外,我們在任何群體中檢測罕見變異關聯(微小等位基因頻率<0.01)的能力很低,這是因為在非常大的隊列中需要WGS/WES。通過應用基於聚合的測試而不是單一變量測試,可以在一定程度上克服這一限製。例如,最常見的聚合方法是基於基因的測試,但也可以應用基於路徑的測試。
GWAS確定了與AD相關的常見和罕見的變異,但這些方法往往沒有識別變異影響的特定基因、細胞類型或組織,以調節疾病風險。為了解決這一缺點,綜合基因組學方法將遺傳數據與表觀基因組、轉錄和蛋白質組數據相結合,以更好地了解變異的生物學效應及其如何影響感興趣的性狀表達(EQTL)研究將遺傳和轉錄切割數據聯係起來,以確定與附近(順式eQTL)或遠端(反式eQTL)基因表達水平相關的變體。重要的是,有必要使用孟德爾隨機化等因果推理方法來支持這樣的假設,即SNP的QTL效應是其對AD風險影響的中介。
已經開發了其他基因組方法來確定位於非編碼區(例如,啟動子和增強子)的變異對近端和遠端靶基因表達的影響。這些方法側重於測量組蛋白修飾或組蛋白可及性的變化,組蛋白修飾或組蛋白可及性直接與GRE的活性有關,並間接與其目標基因表達有關。染色質免疫沉澱和測序(CHIP-SEQ)確定基因組中與特定的組蛋白修飾和轉錄因子(TF)相關的區域。染色質的可及性通過轉座酶可及染色質的測定來衡量,然後進行測序(ATAC-SEQ)以鑒定與轉座酶和其他DNA結合蛋白結合的DNA。染色質環是通過染色質構象捕捉分析來測量的,如Hi-C。
分層LD分數回歸(S-LDSC)是一種基於特定細胞類型的功能基因組注釋來劃分GWASNP遺傳性的方法,已被應用於複雜疾病性狀的候選因果細胞類型的提名。S-LDSC估計了全基因組SNP遺傳性的比例,這是由位於功能基因組注釋中的變異解釋的,同時考慮了SNP中的LD。此外,它還調整了不特定於任何細胞類型的注釋類,確保在存在的情況下觀察到細胞類型的豐富。
人類遺傳學和功能基因組學提示髓係細胞參與AD發病
遺傳學研究一直表明先天性免疫係統的髓係細胞與阿爾茨海默病的病因有關。有相關研究發現,常見的AD風險等位基因在單核細胞而不是T淋巴細胞中對cis-eQTL的影響更豐富,這表明與AD相關的常見單倍型影響先天細胞而不是獲得性免疫係統中的基因表達。其他研究發現,在220種細胞類型的注釋集合中,外周髓係細胞(血液單核細胞和巨噬細胞)特有的表觀基因組注釋中顯著豐富了與AD相關的常見非編碼變體。使用組蛋白標記的CHIP-SEQ和ATAC-SEQ來識別增強子和啟動子,這些增強子和啟動子使用從四種主要腦細胞類型(神經元、星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞)分離的人核。他們確定,與AD風險相關的常見非編碼變體特定富含小膠質細胞增強劑,沒有證據表明其他腦細胞類型富含。這與精神疾病形成對比,在精神疾病中,濃縮更廣泛地分布在所有四種測試的細胞類型中。對這一觀察結果進行了擴展,表明常見的AD風險等位基因特異性地富含在單核細胞、巨噬細胞和小膠質細胞的活性(而不是穩定的)增強劑中。
這些觀察結果有幾個重要的含義。首先,雖然AD風險等位基因在包括小膠質細胞在內的髓係細胞特有的表觀基因組注釋中豐富,但這些豐富的程度在不同類型的髓係細胞中並沒有太大差異,從而明確排除了外周髓係細胞或其他腦巨噬細胞與小膠質細胞相反的因果作用。其次,由於AD風險等位基因主要位於增強子中,由增強子調控的介導因果SNP對疾病易感性的影響的基因可能位於距離增強子一段距離的位置,甚至可能不在GWAS基因座之下,其啟動子通過染色質環與因果增強子物理上的接近(圖2)。第三,由於平均而言,一個增強子調控一個以上的基因,一個基因受到不止一個增強子的調控,在因果SNP影響其活性的增強子的調控影響下,AD風險SNP的因果效應可以由多個基因介導(例如,通過破壞TF的結合)。類似地,一個因果基因可以受到多個因果調節SNPs/增強子的影響,即使在不同的細胞類型或狀態下也是如此。第四,由於常見的AD風險變異大多位於髓係特異性增強子中,AD風險基因沒有必要在髓係細胞中特異性或高水平表達。是增強的調節活性,而不是基因表達水平,為髓係細胞提供了因果基因表達效應的特異性。例如,BIN1廣泛表達於所有類型的腦細胞,但BIN1基因座上的先導SNP位於小膠質細胞特異性增強子內,僅影響BIN1在小膠質細胞中的表達,通過對該增強子誘導的多能幹細胞(IPSCs)、神經元、星形膠質細胞及其衍生的小膠質細胞的實驗操作證明了這一點。
因此,同樣的基因在小膠質細胞/巨噬細胞中可能是因果的(即,介導因果SNP對AD風險的影響),但在神經元或其他類型的細胞中不是。應該指出的是,這些方法隻能提名候選的因果變異/GRE/基因/細胞/通路。為了得出這些遺傳和生物因素確實是因果關係的結論,將需要強有力的證據來證明,針對它們的實驗幹預(例如,在多個隨機臨床試驗中使用旨在調節候選因果基因或通路的高選擇性活性的藥物)可以導致統計上和臨床上顯著的AD風險改變。
WES和SNP陣列GWAS研究發現,與其他腦細胞類型相比,小膠質細胞中高表達的基因中與AD相關的罕見編碼變體,並在髓細胞中發揮重要作用。此外,在最近的AD GWAS中確定的候選因果基因中,22%也是人類小膠質細胞標誌基因(圖1)。總之,大量證據支持這樣一種觀點,即與AD相關的大多數基因變體都會影響髓細胞中具有重要作用的基因的一級結構或表達水平,從而影響其活性。隨著更多罕見的變異被發現,其他細胞類型可能存在遺傳風險。然而,根據常見變異風險空間(MAF>0.05)中的現有知識,大多數AD風險等位基因指向髓係細胞作為最可能的候選致病細胞類型。
在通過GWAS鑒定AD相關基因座並通過精細定位在這些基因座上提名候選致病變異株、GRE和基因後,了解它們在生物學和病理生物學中的作用很重要(圖3)。有時,過度表達或缺乏感興趣基因的小鼠模型是可用的,或者可以生成並與“AD”小鼠模型或其他疾病相關過程模型(例如,與年齡相關的髓磷脂降解)雜交。然而,重要的是要考慮到小鼠和人類之間的差異,而人性化模型對於臨床前研究的可翻譯性至關重要。經基因修飾以改變AD風險GRE或基因中基因表達水平或攜帶特定等位基因的iPSC可分化為多種細胞類型,如iMGL(iPSC衍生的小膠質細胞),然後在體外研究人類小膠質細胞功能。此外,為了描述不同細胞類型之間的相互作用,3D培養技術代表了一種更為生理的環境。為了在體內評估人類小膠質細胞的功能,小鼠中的iMGL異種移植最近也成為一種有吸引力的工具。
AD基因結構的功能解釋:一個工作假設
髓細胞包括一組先天免疫係統的細胞,包括粒細胞、單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞。小膠質細胞是腦實質的駐留巨噬細胞,在維持和恢複組織穩態和先天免疫反應中發揮著關鍵作用。它們持續監測其微環境,並在正常條件下,通過釋放神經營養因子和清除大腦中的“廢物”(蛋白質聚集體、不需要的突觸、營養不良的神經軸突、凋亡細胞、髓磷脂碎片等)來促進腦組織的穩態,小膠質細胞啟動有益的先天免疫反應,如果需要,還可以招募免疫係統的適應性臂。不能啟動或解決這些免疫反應可能是不適應的,對大腦功能和健康有害。
1907年,Alois Alzheimer首次在AD患者的大腦中描述了小膠質細胞增殖和反應性形態學(小膠質細胞增生),由於當時沒有意識到膠質細胞類型之間的區別,因此稱為膠質細胞增生症。小膠質細胞的功能和形態狀態取決於疾病的空間位置和階段。與斑塊相關的小膠質細胞表現出變形蟲形態,而位於遠端的小膠質隨著時間的推移僅表現出微小的變化。小膠質細胞對腦損傷的反應性隨著疾病進展而增強,與受病理影響的大腦區域相關,是認知功能障礙的預測因素。通過轉錄譜對小膠質細胞進行表征,極大地促進了我們對健康、老年和患病大腦中小膠質細胞的不同狀態以及定義它們的標記基因的理解。從AD小鼠模型中分類的小膠質細胞的基因表達分析顯示,數百個基因的表達發生了顯著變化。
這些研究確定了AD大腦中的多種小膠質細胞轉錄組狀態。值得注意的是疾病相關的小膠質細胞(DAM)狀態,在這種狀態下,健康大腦中小膠質細胞特征基因(“穩態基因”,如CXC21、P2RY12、TMEM119和MERTK)的表達減少,而APOE、CD9、CLEC7A、CST7、IGF1、ITGAX/ CD11C和AXL等基因的表達高度上調。
重要的是,在肥胖、脂肪肝疾病和動脈粥樣硬化等富含脂質組織損傷的外周人類和小鼠巨噬細胞中,也觀察到類似DAM(稱為LAM,脂質相關巨噬細胞)的轉錄特征。因此,在衰老/脫髓鞘或神經變性過程中,小膠質細胞會對人體、大腦中最富含膽固醇/脂質的組織的損傷產生類似的反應也就不足為奇了。在AD大腦中,DAM細胞位於斑塊附近(可能對斑塊周圍受損的神經pil做出反應),並隨著疾病進展而增加。在AD小鼠模型中也發現了與DAM不同的其他微膠質亞群,定義為I型幹擾素(IFN-I)和II類主要組織相容性複合體(MHC-II)。
重要的是,雖然這些微神經膠質狀態是由轉錄組特征定義的,但關於這些基因表達譜驅動的不同功能狀態的信息卻少得多。為了實現這一目標,DAM基因的通路分析強調了內吞/吞噬作用,膽固醇/脂代謝,先天免疫係統,以及(特別是靈長類動物與齧齒動物相比)阿爾茨海默病和凋亡細胞清除/泡泡作用。事實上,DAM標誌中的許多誘導基因都是AD風險基因,為AD風險等位基因對老年或患病大腦中的核心小膠質細胞功能(如胞葬作用)的影響提供了進一步的證據。了解這些基因和途徑在AD發病機製中的作用對於闡明疾病機製和確定潛在的治療靶點至關重要。
與DAM基因相似,對常見AD風險等位基因的通路分析也暗示了(1)內吞/吞噬作用,(2)膽固醇代謝,以及(3)自2010年以來AD病因中先天免疫係統的失調。隨後,TREM2和ABCA7中罕見AD風險增加的亞型突變的發現不僅指出髓係細胞是AD的主要元凶,而且強烈表明上述三種病因途徑不是獨立的致病因素,它們可能是高階生物過程的三個方麵,該過程將它們作為髓係細胞致病中樞的功能成分連接起來。關於這一致病中樞可能是什麼,第一條線索來自對AD風險基因座內基因的額外途徑分析,指出“細胞的吞噬/吞噬”、“RXR:RXR激活”和“動脈粥樣硬化信號”是AD風險基因最豐富的生物途徑。事實上,眾所周知,特別是在動脈粥樣硬化研究領域和先天免疫應答由LXR:RXR膽固醇敏感核受體的激活協同調節,並與所有巨噬細胞的最基本的活動密切相關,即它們識別(“發現我”)、吞噬(“吃掉我”)和消化(“消化我”)的能力,並在稱為傳出細胞增生的多步驟過程中處理(“排泄物”)凋亡細胞和其他富含膽固醇的細胞廢物(圖4)。在大腦中,胞葬作用主要由小膠質細胞進行,通過消除無用的、受損的或有害的細胞和細胞碎片(例如,退化的神經元、澱粉樣斑塊、營養不良的神經突、髓鞘碎片和不需要的突觸),對維持組織穩態和免疫耐受、炎症消退和組織修複至關重要。無法清除細胞廢物可導致慢性炎症/自身免疫性疾病和腦白質營養不良等腦部疾病,通常與AD風險基因(如TREM2、GRN和EIF2B2)的嚴重功能喪失突變相關。
這種對AD遺傳結構的功能解釋也得到了以下事實的有力支持:最成熟的AD風險基因(APOE、TREM2、ABCA7和PLCG2)對於脊椎動物骨髓吞噬細胞的高效泡胞作用是必要的,並且在線蟲異常胞葬作用的遺傳篩選中發現了幾種已知或候選AD風險基因。因此,我們假設大量AD相關變體通過改變在胞葬作用中起關鍵作用的基因的功能或表達,從而導致其在中樞(小膠質細胞)和/或外周巨噬細胞中的功能失常,從而增加疾病風險。在本節中,我們將回顧AD風險基因,這些基因胞葬作用途徑中具有已知或推定的作用。
識別和吞噬:吞噬細胞調理素、受體和信號基因
在“找到我”信號(如fractalkine/ CX3CL1、溶血磷脂和核苷酸)提示下,小膠質細胞向胞葬作用靶點遷移或延伸其突起。通過將凋亡細胞和其他細胞碎片表麵暴露的“吃我”(和“不吃我”)信號與小膠質細胞表麵的特定受體結合,可以識別和連接凋亡細胞(和避免健康細胞)等凋亡靶點。這些細胞表麵受體中的一些是AD風險基因(TREM2、PILLA和SIGLEC11),這些受體下遊的信號分子(PLCG2、BLNK、INPP5D、NCK2、RHOH、EED和ABI3)和胞葬作用靶點的調理素(APOE和CLU/APOJ)也是如此。
髓樣細胞2(TREM2)是一種AD風險基因,它與磷脂酰絲氨酸(PS)結合,磷脂酰絲氨酸是暴露在凋亡細胞和不需要的突觸表麵的典型“吃我”分子。它還結合其他陰離子和兩性離子脂質,這些脂質由受損的髓磷脂釋放。TREM2功能的喪失會導致髓磷脂碎片的胞葬作用受損,並改變小膠質細胞膽固醇代謝。它還減少了AD小鼠模型中斑塊的壓實,並增加了周圍神經末梢的損傷。AD相關變體TREM2 R47H降低了TREM2對PS的親和力,並與AD小鼠模型中小膠質細胞增殖減少、從穩態過渡到DAM狀態的能力以及Aβ斑塊周圍聚集相關。此外,從TREM2 R47H載體衍生的人類iPSC係分化出的iMGL對PS暴露脂質體或凋亡細胞的反應顯示出信號轉導缺陷,pSYK-pERK1/2信號和NLRP3炎性體激活減少。缺乏TREM2的iMGL在通過“發現我”信號(凋亡細胞釋放的ATP/ADP核苷酸)激活嘌呤能受體(如P2RY12)後表現出過度的Ca2+釋放,損害了小膠質細胞對它們的趨化性。這些效應可能由PLCG2介導,已知PLCG2調節TREM2下遊的Ca2+信號傳導,吞噬、趨化和存活。PLCG2是一種AD風險基因,編碼磷脂酶Cɣ家族成員,它將膜磷脂酰肌醇PI(4,5)P2切割成DAG和IP3,這是細胞內儲存的鈣釋放所必需的信號轉導分子,進而影響小膠質基因表達、吞噬、趨化和存活。PLCG2敲除(KO)表型Trem2功能喪失,導致髓鞘碎片胞葬作用受損,微膠質脂質代謝改變,向DAM樣轉錄狀態的缺陷轉變。
在AD大腦中,PLCG2表達上調,特別是在澱粉樣斑塊周圍。保護性和輕微超形態的PLCG2 P522R罕見變體與小膠質細胞的存活率提高、吞噬功能增強和DAM標誌基因表達增加相關。適配器蛋白BLNK將PLCG2招募到質膜,其中PI(4,5)P2在TREM2激活時定位),也被提名為候選AD風險基因。BLNK基因座中的前導SNP也是單核細胞、巨噬細胞和小膠質細胞中的BLNK eQTL。
盡管其功能尚不清楚,但MS4A4A和MS4A6A是可能與TREM2和其他免疫受體相互作用的跨膜四跨蛋白。MS4A在小膠質細胞和外周免疫細胞中高度表達,並調節模式識別受體的活性,如小鼠體內的DAM標記Dectin-1(由Clec7a編碼)。MS4A基因座內的AD相關SNP與髓係細胞中較低的MS4A4A和MS4A6A表達相關,這賦予了保護性表型。更具體地說,一個候選功能變體rs636317已經在iMGL中被識別和驗證。MS4A基因簇中的常見變體也與腦脊液(CSF)中的可溶性TREM2水平相關,表明MS4A4A/6A水平與TREM2活性之間存在功能聯係。與TREM2類似,已提出MS4A家族成員作為脂質受體。
AD GWAS還涉及多種抑製性免疫受體,它們結合唾液酸(“不吃我”信號),並通過“吃我”(如PS)信號來對抗TREM2的激活。CD33(在一些但不是所有的GWAS研究中)和PILLA基因座中已報告了保護性變體,而SIGLEC11基因座中報告了風險增加等位基因。CD33保護性變體改變了CD33的選擇性剪接,減少了包含唾液酸結合結構域的外顯子的包含。類似地,PILRA中的保護性G78R氨基酸取代導致唾液酸暴露配體的結合減少>50%。
因此,有人提出,CD33和PITRA變體通過小膠質細胞中的“不要吃我”信號減少抑製性信號來保護個體免於AD。SIGLEC11基因座中的AD相關SNP也是單核細胞、巨噬細胞和小膠質細胞中SIGLEC11的eQTL。這些“不要吃我”信號受體的抑製活性部分由INPP5D介導,該基因位於一個基因座中,GWAS一直與AD風險相關。INPP5D編碼SHIP1,這是一種磷脂酰肌醇磷酸酶,水解PI(3,4,5)P3,以防止PI(3,1,4,5)P3-結合效應蛋白(例如,Vav家族蛋白)的募集,後者通過BLNK和PLCG2介導TREM2等“吃我”信號受體下遊的免疫刺激信號。
吞噬細胞攝取通過調節胞葬作用而增強。從這個意義上講,APOE通過充當調理素,包裹凋亡細胞和其他底物,以促進其被小膠質細胞表麵的受體(如TREM2和SORL1)識別和束縛,在胞葬作用中發揮重要作用。兩個編碼變體(rs429358T>C編碼Cys112Arg取代和rs7412C>T編碼Arg158Cys取代)定義了三種多態性APOE等位基因和蛋白質亞型:。這些編碼變體決定了人類的六種APOE基因型(ε2/ε2、ε2/ε3ε3/ε3、ε2/ε4、ε3/ε4和ε4/ε4),從AD的最低風險到最高風險。APOE在星形膠質細胞中高度表達,但在小膠質細胞中表達上調以應對組織損傷,已被確定為關鍵的DAM標誌物。重要的是,APOE亞型和基因型已被證明對胞葬作用有不同的影響。在體外,與APOE3相比,分泌的APOE2增加,APOE4降低星形膠質細胞吞噬突觸小體的速率。與APOE33 KI小鼠相比,APOE22 KI小鼠體內補體標記的衰老突觸的消除增加,APOE44 KI小鼠體內減少。幾項WGS/WES研究已確定APOE中影響AD風險的其他罕見編碼變體,包括保護性“Christchurch”和“Jacksonville”變體,但尚未研究其對胞飲作用的影響。
另一種作為凋亡細胞調理素並與AD風險相關的載脂蛋白是clusterin(也稱為APOJ),由CLU基因編碼。雖然在星形膠質細胞中表達更高,但APOJ也可能在小膠質細胞中發揮作用。在小鼠原代小膠質細胞和人類單核細胞衍生的巨噬細胞中,APOJ是脂蛋白的載脂蛋白成分之一,與TREM2結合並被TREM2吸收。此外,Aβ與含APOJ的脂蛋白結合有助於小膠質細胞吸收Aβ。在外周巨噬細胞中,CLU增強了體外和體內的傳出細胞增生。
在識別出由傳出細胞靶分泌或暴露的“找到我”或“找到我的”信號後,小膠質細胞重新排列肌動蛋白細胞骨架以向其遷移並吞噬貨物。在連接受體與肌動蛋白細胞骨架重塑的信號轉導級聯中,NCK2、RHOH、EED和ABI3被提名為AD風險基因。NCK2是一種調節免疫細胞受體活化和肌動蛋白聚合動力學的信號銜接蛋白。使用罕見變異插補的GWAS薈萃分析確定了NCK2中的一個罕見變異(rs143080277)與AD的新關聯。RHOH是小鳥苷三磷酸酶(GTPases)Rho家族的成員(例如,RHOA、RAC1和CDC42),它們在胞葬作用期間充當肌動蛋白細胞骨架重排的主調節器。胚胎外胚層發育(EED)位於PICALM基因座,是多梳抑製複合物2(PRC2)的蛋白質亞基。AD相關SNPs位於小膠質細胞增強子中,該增強子與啟動子接觸,似乎調節EED和磷脂酰肌醇結合網格蛋白組裝蛋白(PICALM)的表達。
據報道,PRC2在T細胞細胞質中的免疫受體介導的信號傳導中發揮作用,在那裏它與T細胞受體下遊的NCK蛋白相互作用,影響肌動蛋白細胞骨架重塑,這表明EED也可能影響免疫受體信號傳導和小膠質細胞中的肌動蛋白細胞骨架重排。ABI3是Abelson相互作用子(ABI)家族的成員,在傳出細胞增生期間調節肌動蛋白細胞骨架重排。ABI3中一種罕見的編碼變體(S209F)與AD風險增加相關。在AD小鼠模型中,Abi3缺失增加了可溶性和不溶性Ab水平和斑塊負荷,減少了斑塊周圍的小膠質細胞聚集,並導致突觸功能障礙。與這些觀察結果一致,體外實驗表明,Abi3敲除會損害小膠質細胞的遷移和吞噬作用。ABI3最近被提出作為AD生物標誌物。AD患者血清、腦脊液和外周血單個核細胞中ABI3水平降低。
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