星形膠質(zhì)細胞活化是神經(jīng)退行性疾病的普遍特征。核心晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子BMAL1是星形膠質(zhì)細胞活化的強大調(diào)控因子，最近的研究發(fā)現(xiàn)，BMAL1是調(diào)控星形膠質(zhì)細胞對tau病理和淀粉樣斑塊反應(yīng)的最重要的上游轉(zhuǎn)錄因子之一。然而，目前尚不清楚BMAL1的調(diào)控是否會影響tau或α-Syn病理。

2023年6月13日Sheehan、Nadarajah等人在Neuron發(fā)表文章，其研究表明，在小鼠的tau病理和α-Syn病理模型中，全身性Bmal1刪除對tau和α-Syn的聚集以及相應(yīng)的微膠質(zhì)細胞活化具有保護作用。這種保護效應(yīng)是由BMAL1介導(dǎo)的星形膠質(zhì)細胞活化和BAG3（一種宏自噬伴侶蛋白）表達驅(qū)動的。星形膠質(zhì)細胞中BAG3的過表達本身對病理具有保護作用，并且BAG3在人類AD腦樣本中的特定一組疾病相關(guān)激活星形膠質(zhì)細胞中高度表達。研究結(jié)果表明，早期的星形膠質(zhì)細胞活化可以在體內(nèi)減輕tau和α-Syn的病理，而BMAL1的喪失則誘導(dǎo)了一種具有保護作用的星形膠質(zhì)細胞活化狀態(tài)。

全身性Bmal1刪敲除阻止了P301S小鼠中的tau蛋白聚集

研究人員采用了全身性Bmal1基因敲除小鼠和P301S tau病理模型小鼠雜交，通過免疫組化IHC評估星膠增生及磷酸化水平，ELISA評估皮質(zhì)組織中的可溶性和不溶性tau水平。結(jié)果提示，全身性Bmal1刪除顯著降低了不溶性tau聚集，而不影響總體tau或可溶性tau水平。這一效應(yīng)在大腦的海馬體和嗅皮質(zhì)中也得到驗證。

圖1: 全身性Bmal1基因敲除減輕了tau病理

全身性Bmal1基因敲除減輕了P301S小鼠中小膠質(zhì)細胞的激活

通過對皮層組織進行免疫組化染色，基因表達分析以及形態(tài)學(xué)評估，研究人員發(fā)現(xiàn)P301S小鼠小膠質(zhì)細胞分支較少， CD68增加，表現(xiàn)出神經(jīng)炎癥標志物的上調(diào)，而這種變化在gKO：P301S小鼠中幾乎不存在。而gKO小鼠的星形膠質(zhì)細胞活化程度與P301S或gKO：P301S小鼠相似，這揭示了Bmal1基因的刪除引發(fā)了早期星形膠質(zhì)細胞活化，并可能在減輕tau聚集和小膠質(zhì)細胞活化方面起到作用。

圖2：在P301S小鼠中，全身性Bmal1基因敲除引發(fā)持續(xù)性星形膠質(zhì)細胞活化，并且抑制了小膠質(zhì)細胞的激活

全身性的Bmal1基因缺失抑制了α- Syn擴散病理和小膠質(zhì)細胞活化

通過在α-Syn預(yù)成纖維（α-Syn PFF）模型中進行實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)全身性Bmal1基因缺失對α-Syn病理和小膠質(zhì)細胞活化具有抑制作用。實驗使用了CTRL和gKO小鼠，通過給予他們他莫昔芬處理后注射α-Syn PFFs到紋狀體，研究結(jié)果顯示，相比于對照組，gKO小鼠在紋狀體和體感皮層中的磷酸化α-Syn病理減少，類似于之前的tau模型實驗結(jié)果。此外，在PFF注射后，gKO小鼠的皮層中微膠質(zhì)細胞活化和紋狀體中微膠質(zhì)細胞分支明顯減少。這些結(jié)果說明，通過Bmal1基因缺失的全身性敲除，能夠抑制α-Syn病理的擴散以及小膠質(zhì)細胞的活化。

圖3. 全身性Bmal1基因缺失抑制了α-突觸核蛋白（aSyn）病理，并抑制了小膠質(zhì)細胞的活化

星形膠質(zhì)細胞特異性Bmal1基因刪除可預(yù)防α-Syn和tau病理

研究人員構(gòu)建了星形膠質(zhì)細胞特異性Bmal1敲除小鼠（aKO）及小膠質(zhì)細胞特異性的Bmal1 敲除小鼠（Cx3cr1-CreERT2+; Bmal1f/f），并使用α-Syn PFF模型，通過對皮層區(qū)域進行免疫熒光染色，發(fā)現(xiàn)，僅在星形膠質(zhì)細胞中刪除Bmal1足以減少α-Syn病理，且在病理啟動之前的星形膠質(zhì)細胞活化至關(guān)重要，而小膠質(zhì)細胞中的Bmal1似乎對α-Syn的擴散沒有重要影響。

圖4.星形膠質(zhì)細胞特異性的Bmal1刪除足以誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細胞活化并防止P301S小鼠中的tau病理

圖5. 在α-Syn PFF注射前進行星形膠質(zhì)細胞特異性Bmal1刪除足以防止擴散，但注射后則不行

Bmal1依賴的星形膠質(zhì)細胞Bag3表達調(diào)節(jié)α-Syn的攝取

為了確定介導(dǎo)上述表型的可能分子機制，研究人員對已有的RNA-seq數(shù)據(jù)集，中顯著差異表達基因（DEGs）進行了GO分析，發(fā)現(xiàn)了Bag3基因，這是宏噬嗜作用的已知驅(qū)動因子，且最近的一個全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)它與帕金森病有關(guān)。研究人員確認了Bag3 mRNA在腦特異性Nestin-Bmal1 KO小鼠的皮層中也上調(diào)，但在神經(jīng)元特異性Bmal1 KO小鼠中沒有增加。

通過體內(nèi)和體外實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)Bmal1在星形膠質(zhì)細胞中的敲除導(dǎo)致Bag3表達上調(diào)，并增加了星形膠質(zhì)細胞對α-Syn PFF的溶酶體攝取。使用小干擾RNA敲除Bmal1和Bag3，發(fā)現(xiàn)它們的共同敲除抑制了這種效應(yīng)。此外，通過過表達Bag3，發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞中Bag3的上調(diào)能夠增加α-Syn PFF的溶酶體攝取。這些結(jié)果表明，Bmal1在星形膠質(zhì)細胞中的缺失通過Bag3依賴的機制增加了α-Syn的降解。

圖6. 星形膠質(zhì)細胞中的BAG3在Bmal1之后調(diào)節(jié)α-Syn的攝取

星形膠質(zhì)細胞中的BAG3在體內(nèi)介導(dǎo)aSyn和tau的清除

接下來，研究人員利用三種AAV-PhP.eB病毒載體，將其注射到Bmal1f/f小鼠的紋狀體中。結(jié)果顯示，通過抑制BAG3表達的Cre-shBag3病毒導(dǎo)致tau的清除減少，而對照組則沒有此效應(yīng)。此外，通過在小鼠腦內(nèi)廣泛過表達BAG3，我們觀察到BAG3能顯著減少α-Syn的病理蛋白沉積。這些實驗結(jié)果表明星形膠質(zhì)細胞中的BAG3介導(dǎo)了tau和α-Syn的清除過程，并且暗示星形膠質(zhì)細胞BAG3的表達是一種更普遍的神經(jīng)膠質(zhì)清除蛋白聚集物的機制。

圖7. 星形膠質(zhì)細胞中的BAG3在體內(nèi)減少tau和α-Syn病理學(xué)的作用

BAG3在人類AD中的疾病相關(guān)星形膠質(zhì)細胞中表達

通過分析多個AD腦庫的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)BAG3基因在人類AD中的表達增加，并且與臨床癡呆相關(guān)。單細胞RNA測序數(shù)據(jù)顯示，在人腦中，BAG3在星形膠質(zhì)細胞中高表達，并且在一些微膠質(zhì)細胞和內(nèi)皮細胞中也有表達。通過單細胞RNA測序數(shù)據(jù)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在ADAD患者中，BAG3的表達主要發(fā)生在ADAD的晚期階段。此外，研究還發(fā)現(xiàn)BAG3的SNP（rs72840788）與發(fā)展PD的風險相關(guān)。因此，研究結(jié)果表明BAG3在人類AD的反應(yīng)性DAA樣星形膠質(zhì)細胞中表達，并且星形膠質(zhì)細胞中BAG3的SNP可能增加發(fā)展PD的風險。

圖8. BAG3在人類AD中的疾病相關(guān)星形膠質(zhì)細胞中表達

結(jié)論

總的來說，這項研究表明，通過刪除Bmal1來激活星形膠質(zhì)細胞可以誘導(dǎo)Bag3的表達，從而保護免受tau和α-Syn病理的影響。這為開發(fā)針對星形膠質(zhì)細胞的治療策略提供了新的視角和啟示。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.05.006

參考文獻

Sheehan PW, Nadarajah CJ, Kanan MF, Patterson JN, Novotny B, Lawrence JH, King MW, Brase L, Inman CE, Yuede CM, Lee J, Patel TK, Harari O, Benitez BA, Davis AA, Musiek ES. An astrocyte BMAL1-BAG3 axis protects against alpha-synuclein and tau pathology. Neuron. 2023 Jun 6:S0896-6273(23)00379-3. doi: 10.1016/j.neuron.2023.05.006. Epub ahead of print. PMID: 37315555.

編譯作者：zouki（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）






標簽：腦科學(xué)