HS3ST1是與阿爾茨海默病（AD）相關(guān)的遺傳風(fēng)險基因，在AD中過表達(dá)，但其在AD病理進(jìn)展中的具體作用尚不清楚。2023年5月26日，來自北卡羅來納大學(xué)的研究人員在《Science Advances》上發(fā)表了題為“Increased 3- O-sulfated heparan sulfate in Alzheimer's disease brain is associated with genetic risk gene HS3ST1”文章，采用LC-MS/MS方法對AD和其他退行性腦疾病患者大腦中肝素硫酸酯（HS）進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)AD組中特定的3-O-硫酸化HS的含量增加了七倍。

此外，通過對重組硫酸轉(zhuǎn)移酶修飾的HS和基因敲除小鼠的HS進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)特定的3-O-硫酸化HS是由HS3ST1基因編碼的3-O-硫酸轉(zhuǎn)移酶亞型1（3-OST-1）所合成，且?guī)в刑囟?-O-硫酸化區(qū)域的合成十四糖（14-mer）抑制了tau蛋白的細(xì)胞內(nèi)攝取。這一發(fā)現(xiàn)表明，HS3ST1基因的過度表達(dá)可能增強(qiáng)了tau病理的傳播，為AD提供了一個潛在的治療靶點(diǎn)。

研究人員通過肝素酶的降解和LC-MS/MS分析測定3-O-硫酸化HS的水平。通過混合13C標(biāo)記的校準(zhǔn)物和HS多糖進(jìn)行肝素酶消化，識別和定量了3-O-硫酸化四糖和非3-O-硫酸化二糖。使用這些方法，研究人員得出了不同疾病組和對照組之間特定3-O-硫酸化四糖標(biāo)記物數(shù)量的變化，并提供了關(guān)于神經(jīng)退行性疾病相關(guān)HS的重要信息。

在AD患者腦組織中檢測到了高水平的3-O-硫酸化HS

通過上述方法，研究人員對不同神經(jīng)退行性疾病組和健康組的腦組織進(jìn)行了3-O-硫酸化HS水平的分析，發(fā)現(xiàn)特定的3-O-硫酸化四糖標(biāo)記物在疾病組與對照組之間存在數(shù)量變化，特別是在AD組中Tetra-1的數(shù)量顯著增加。這揭示了與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)的3-O-硫酸化HS的變化，為進(jìn)一步研究疾病機(jī)制和潛在治療靶點(diǎn)提供了重要線索。

圖1：神經(jīng)退行性疾病腦組織HS成分分析

2.3-OST-1是合成Tetra-1域的關(guān)鍵同工酶

在體外條件下使用不同的3-OST同工酶對HS進(jìn)行修飾，研究人員分析了3-O-硫酸化四糖的水平。通過LC-MS/MS分析，研究人員確定了不同同工酶產(chǎn)生的3-O-硫酸化結(jié)構(gòu)域的數(shù)量。結(jié)果顯示：3-OST-1是產(chǎn)生Tetra-1的主要同工酶，而其他同工酶主要生成Tetra-4。此外，研究人員還觀察到不同同工酶對其他3-O-硫酸化結(jié)構(gòu)域的生成也存在差異。

圖2：經(jīng)3-OST異構(gòu)體修飾后HS中3-o-硫酸化四糖的量

為了研究體內(nèi)3-OST-1和3-OST-3修飾的HS結(jié)構(gòu)，研究人員進(jìn)一步比較了來自野生型、3-OST-1基因敲除小鼠和3-OST-3基因敲除小鼠的動物組織中的HS。與野生型相比，3-OST-1基因敲除小鼠的Tetra-1水平顯著降低，而3-OST-3基因敲除小鼠的Tetra-1水平?jīng)]有明顯變化，這再次證實(shí)了3-OST-1是合成大腦HS中Tetra-1結(jié)構(gòu)域的關(guān)鍵同工酶。研究人員還發(fā)現(xiàn)野生型小鼠的大腦中沒有Tetra-3，但在肝臟中存在，這表明3-O-硫酸化HS的糖序列具有獨(dú)特的組織分布。總之，這些數(shù)據(jù)表明：在AD患者中，大腦HS中Tetra-1水平的升高與3-OST-1酶活性的上調(diào)有關(guān)。

3.3-O-硫酸化14-糖鏈抑制了tau的細(xì)胞內(nèi)攝取

研究人員合成了兩種具有不同結(jié)構(gòu)的十四糖鏈（14-mers），利用體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究了3-O-硫酸化HS對tau細(xì)胞內(nèi)攝取的影響。結(jié)果顯示：具有Tetra-1結(jié)構(gòu)域的14-mer-2比不含該結(jié)構(gòu)域的14-mer-1對抑制tau攝取到小鼠肺內(nèi)皮細(xì)胞系具有更強(qiáng)的效果。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)MLE細(xì)胞的HS中含有Tetra-1結(jié)構(gòu)域，表明攜帶該結(jié)構(gòu)域的HS可能與tau的結(jié)合和細(xì)胞內(nèi)攝取密切相關(guān)。采用LC-MS/MS方法對AD和其他tau病理學(xué)患者的大腦HS進(jìn)行分析，研究人員解決了AD遺傳變異是否與HS結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的問題，確定了HS3ST1基因編碼的3-OST-1酶與特定的3-O-硫酸化HS結(jié)構(gòu)域之間的關(guān)系，通過在小鼠中進(jìn)行基因敲除和合成實(shí)驗(yàn)，研究人員也證實(shí)了3-O-硫酸化HS能夠抑制tau的細(xì)胞內(nèi)攝取，這為AD的治療提供了潛在的治療靶點(diǎn)。

圖3：14-mers對tau細(xì)胞內(nèi)化的抑制作用

討論

這項(xiàng)研究通過檢測AD和其他神經(jīng)退行性疾病大腦中3-o-硫酸鹽HS的水平，并對特定的HS區(qū)域進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)3-O-硫酸化HS在AD進(jìn)展中的作用，而HS3ST1基因則負(fù)責(zé)攜帶Tetra-1結(jié)構(gòu)域的特異性3-o-硫酸化HS的合成。該研究結(jié)果有助于理解AD潛在的分子機(jī)制，3-o-硫酸化HS可能作為改善AD和早期診斷的新靶點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

Wang Z, Patel VN, Song X, et al. Increased 3-O-sulfated heparan sulfate in Alzheimer's disease brain is associated with genetic risk gene HS3ST1. Sci Adv. 2023;9(21):eadf6232. doi:10.1126/sciadv.adf6232

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

校審: 悟空 (Brainnews編輯部)