阿爾茨海默?。ˋD）是一種常見(jiàn)的慢性神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。近年來(lái)研究顯示，突觸（樹(shù)突棘）丟失是導(dǎo)致AD認(rèn)知障礙的主要原因。Cdc42是小G蛋白R(shí)ho亞家族的成員，在調(diào)節(jié)突觸可塑性中起著重要作用。不過(guò)，目前很少有研究關(guān)注Cdc42在阿爾茨海默病進(jìn)展中的作用。近日，來(lái)自南方醫(yī)科大學(xué)廣東省功能蛋白質(zhì)組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張璐教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為“Cdc42GAP deficiency contributes to the Alzheimer’s disease phenotype”的文章，展示了課題組最新的研究成果。該研究旨在探索Cdc42信號(hào)傳導(dǎo)的激活是否與阿爾茨海默病樣表型有關(guān)。

Cdc42GAP缺乏損害認(rèn)知和空間記憶

研究者收集了11個(gè)月大的野生型（WT）小鼠、GAP（Cdc42GAP缺陷小鼠，即Cdc42GAP敲除雜合小鼠）和AD小鼠的海馬體和皮層組織，以檢測(cè)Cdc42信號(hào)分子。結(jié)果顯示， GAP小鼠和AD小鼠的海馬體和皮層中活化的Cdc42均顯著增加；且Cdc42信號(hào)通路下游PAK和cofilin的磷酸化水平均有所升高，表明Cdc42GAP缺陷小鼠和AD小鼠中Cdc42的信號(hào)傳導(dǎo)通路均發(fā)生活化。

此外，研究者將GAP小鼠與AD小鼠雜交，創(chuàng)建了同時(shí)具有AD小鼠表型和Cdc42GAP缺陷的GAP/AD小鼠，并使用4和11個(gè)月大的小鼠（分別代表年輕和老年階段），探討Cdc42GAP缺乏對(duì)認(rèn)知功能的影響。在新物體識(shí)別測(cè)試中，GAP/AD小鼠認(rèn)知功能最差，表現(xiàn)為與新物體互動(dòng)時(shí)間更少，互動(dòng)頻率也更低（圖1B-C）。而且，老年GAP小鼠表現(xiàn)出比年輕小鼠更嚴(yán)重的識(shí)別和記憶障礙。

這些結(jié)果表明，Cdc42GAP缺乏會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙，這種障礙可能會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而惡化。在被動(dòng)回避測(cè)試中，也發(fā)現(xiàn)與上述新體物識(shí)別測(cè)試類似的結(jié)果，表明Cdc42GAP缺乏與識(shí)別和記憶功能障礙也有關(guān)系。在Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)中，GAP和GAP/AD小鼠在定位巡航實(shí)驗(yàn)和延遲期的反向試驗(yàn)中都顯示出穿越目標(biāo)象限平臺(tái)的次數(shù)減少（圖1H-I），年長(zhǎng)的GAP小鼠的表現(xiàn)比年輕GAP小鼠差，表明Cdc42GAP缺乏可能會(huì)損害空間記憶功能。

圖1 Cdc42GAP 缺乏導(dǎo)致認(rèn)知異常，隨著年齡的增長(zhǎng)，

出現(xiàn)更嚴(yán)重的行為缺陷

Cdc42GAP缺乏誘導(dǎo)神經(jīng)元衰老和樹(shù)突棘變性并伴有F-肌動(dòng)蛋白解聚

研究者以神經(jīng)元衰老標(biāo)志物SA-β-gal評(píng)估Cdc42GAP缺乏在神經(jīng)元衰老中的作用。結(jié)果顯示，年輕GAP小鼠的海馬和皮層神經(jīng)元中SA-β-gal水平顯著升高，GAP/AD小鼠衰老更顯著，而且年老GAP/AD小鼠的衰老程度明顯更嚴(yán)重，表明Cdc42GAP缺乏誘導(dǎo)并加速了神經(jīng)元衰老（圖2）。

此外，研究者探索了Cdc42GAP在視覺(jué)皮層錐體和海馬兩個(gè)腦區(qū)神經(jīng)元樹(shù)突棘可塑性中的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Cdc42GAP缺乏會(huì)導(dǎo)致小鼠海馬和皮層突觸可塑性的長(zhǎng)期損傷。通過(guò)檢測(cè)年老小鼠海馬和皮層中神經(jīng)元樹(shù)突棘的F-肌動(dòng)蛋白和G-肌動(dòng)蛋白，發(fā)現(xiàn)GAP和AD小鼠的海馬和皮層中F-/G-肌動(dòng)蛋白的比例顯著降低，表明Cdc42GAP缺乏誘導(dǎo)F-肌動(dòng)蛋白解聚。

圖2 Cdc42GAP缺乏誘導(dǎo)神經(jīng)元衰老

Cdc42GAP缺乏誘導(dǎo)并加速tau磷酸化和淀粉樣蛋白β的產(chǎn)生

接下來(lái)，研究者使用年老小鼠研究Cdc42GAP缺乏在tau磷酸化和Aβ產(chǎn)生中的作用。免疫熒光分析顯示，GAP小鼠的海馬和皮層中的tau磷酸化（p-T231/AT8）水平顯著升高（圖3）。與GAP和AD小鼠相比，GAP/AD小鼠中的tau過(guò)度磷酸化進(jìn)一步增加，表明Cdc42GAP缺乏可能有助于tau磷酸化的進(jìn)展。另外，GAP/AD小鼠的Aβ1-42和Aβ1-40水平顯著升高。這些結(jié)果表明，Cdc42GAP缺乏誘導(dǎo)并加速tau磷酸化和Aβ1-40和Aβ1-42的產(chǎn)生。

圖3 Cdc42GAP缺乏在11個(gè)月大的小鼠中誘導(dǎo)阿爾茨海默病表型

Cdc42GAP缺乏可能通過(guò)激活GSK-3β誘導(dǎo)阿爾茨海默病表型

為探索Cdc42GAP缺陷小鼠阿爾茨海默病表型的潛在機(jī)制，研究者對(duì)年老WT和GAP小鼠的海馬進(jìn)行了定量磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GAP小鼠微管相關(guān)蛋白tau（Mapt）許多位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，說(shuō)明GAP小鼠的海馬和皮層中tau磷酸化水平顯著升高。接下來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)GAP、AD和GAP/AD小鼠的海馬和皮層中磷酸化GSK-3βSer-9的磷酸化水平降低，而且GAP/AD小鼠磷酸化GSK-3βSer-9的磷酸化水平低于AD小鼠。研究者進(jìn)一步通過(guò)蛋白質(zhì)印跡和免疫熒光分析了GSK-3β在Ser-389、Ser-9和Tyr-216的活性。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GAP、AD和GAP/AD小鼠的海馬和皮層中磷酸化GSK-3βSer-9的水平降低；GAP、AD和GAP/AD小鼠的海馬和皮層中磷酸化GSK-3βTyr-216的水平增加，其中GAP/AD鼠皮層中的Tyr-216水平高于GAP和AD鼠。這些結(jié)果表明Cdc42GAP缺乏通過(guò)Ser-9、Ser-389處去磷酸化和/或在Tyr-216處磷酸化來(lái)激活GSK-3β，從而誘導(dǎo)并加速海馬和皮層中的阿爾茨海默病樣表型。

Cdc42 GTPase的持續(xù)激活誘導(dǎo)tau過(guò)度磷酸化和突觸丟失

為驗(yàn)證Cdc42GAP缺乏在tau過(guò)度磷酸化和樹(shù)突棘丟失中的機(jī)制，研究者通過(guò)操縱Cdc42GTP酶的活性發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，GAP、AD和GAP/AD小鼠的tau磷酸化水平增加，表明Cdc42 GTP酶活性升高可能是阿爾茨海默病tau過(guò)度磷酸化的原因。接下來(lái)，研究者通過(guò)分析小鼠海馬和皮層突觸的可塑性發(fā)現(xiàn)，Cdc42水平升高誘導(dǎo)海馬和皮層神經(jīng)元衰老水平升高，Cdc42 GTPase活性升高與阿爾茨海默病樣突觸可塑性削弱有關(guān)。

阿爾茨海默病患者大腦皮質(zhì)切片中Cdc42信號(hào)通路和GSK-3β被激活

此外，研究者收集了AD患者和健康對(duì)照（HC）大腦的皮質(zhì)石蠟切片標(biāo)本，并通過(guò)免疫化學(xué)染色評(píng)估Cdc42信號(hào)通路和GSK-3β活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AD患者皮層中的Cdc42-GTPase與HC相比顯著增加，磷酸化-cofilin（p-cofilin（Ser-3））和磷酸化-PAK1（p-PAK1（Ser-199））水平也有所增加，表明激活的Cdc42信號(hào)通路可能導(dǎo)致人類阿爾茨海默病相關(guān)神經(jīng)元退行性改變（圖4）。此外，Aβ1-40、Aβ1-42和APP代謝產(chǎn)物CTFs在AD患者中顯著升高，表明Cdc42GAP缺乏活化了Cdc42信號(hào)通路，激活的GSK-3β在阿爾茨海默病患者中起著至關(guān)重要的作用。

圖4 阿爾茨海默病患者的皮層中Cdc42通路和GSK-3β活性被激活

總結(jié)

該研究發(fā)現(xiàn)Cdc42GAP缺乏在4個(gè)月大和11個(gè)月大的小鼠中誘導(dǎo)了認(rèn)知功能障礙和突觸（樹(shù)突棘）丟失，并隨著年齡的增長(zhǎng)有所惡化；tau磷酸化和Aβ的產(chǎn)生也有所增加，這與AD小鼠的表型一致。另外，研究者發(fā)現(xiàn)在AD小鼠中Cdc42-GTPase活性升高，同時(shí)伴有Cdc42-PAK1-cofilin信號(hào)通路激活。通過(guò)對(duì)11個(gè)月大GAP小鼠海馬的定量磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析，結(jié)果表明GSK-3β活性的升高可能與tau異常磷酸化和Aβ增加這些病理?yè)p傷有關(guān)。更重要的是，Cdc42-GTPase通路和GSK-3β活性在AD患者中也被激活。

這些結(jié)果表明，Cdc42GAP缺乏引起的Cdc42活性增加可能通過(guò)激活GSK-3β誘導(dǎo)阿爾茨海默病樣表型，導(dǎo)致阿爾茨海默病的認(rèn)知功能缺陷。因此，Cdc42可能是改善阿爾茨海默病認(rèn)知功能障礙的治療靶點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

Zhu, M., Xiao, B., Xue, T., Qin, S., Ding, J., Wu, Y., Tang, Q., Huang, M., Zhao, N., Ye, Y., Zhang, Y., Zhang, B., Li, J., Guo, F., Jiang, Y., Zhang, L., & Zhang, L. (2023). Cdc42GAP deficiency contributes to the Alzheimer's disease phenotype. Brain : a journal of neurology, awad184. Advance online publication. https://doi.org/10.1093/brain/awad184

編譯作者: Charlie Brown (Brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì))

校審: 神經(jīng)小子 (Brainnews編輯部)