γ-分泌酶是一種多蛋白復(fù)合物，可調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖及分化。既往研究報道了γ-分泌酶上的早老蛋白（PSEN1）突變會導(dǎo)致阿爾茨海默?。ˋD）的發(fā)生，而AD的顯著特征包括膽固醇累積及突觸功能障礙。那么γ-分泌酶是否通過影響膽固醇代謝及突觸功能參與AD的發(fā)生，目前尚不清楚。

Thomas Südhof教授

基于此，來自斯坦福大學(xué)Thomas Südhof教授（2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎）的研究團(tuán)隊，在Neuron上發(fā)表了題為“Neuronal γ-secretase regulates lipid metabolism, linking cholesterol to synaptic dysfunction in Alzheimer’s disease”的文章，報道了在人類神經(jīng)元中，慢性γ-分泌酶抑制會顯著降低神經(jīng)元的膽固醇水平，進(jìn)而刺激神經(jīng)元特異性膽固醇合成基因的表達(dá)。此外，γ-分泌酶通過維持膽固醇水平來調(diào)節(jié)突觸的傳遞，而γ-分泌酶的慢性抑制通過降低膽固醇水平來損害突觸功能。

1.γ-分泌酶的抑制不會改變神經(jīng)突起的延伸，而是增加突觸的數(shù)量

γ-分泌酶具有多種功能及多種底物，這表明慢性γ-分泌酶抑制可能會阻礙神經(jīng)元的發(fā)育。為了證實(shí)這種可能，研究人員對γ-分泌酶抑制（DAPT）后的人類早期神經(jīng)元進(jìn)行形態(tài)分析，結(jié)果顯示：軸突或樹突形態(tài)無明顯變化。但在神經(jīng)元轉(zhuǎn)分化后10天進(jìn)行抑制發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)元的突觸密度顯著增加，證實(shí)γ-分泌酶的慢性抑制增加了突觸數(shù)量的生成。

圖1：慢性γ-分泌酶抑制增加了人類神經(jīng)元的突觸數(shù)量，而不改變軸突或樹突分枝形態(tài)

2.γ-分泌酶對正常的神經(jīng)遞質(zhì)釋放至關(guān)重要

為確定慢性γ-分泌酶抑制后突觸數(shù)量的增加是否影響突觸傳遞，研究人員分析了經(jīng)DAPT處理后神經(jīng)元的興奮性突觸后電流（mEPSCs），沒有發(fā)現(xiàn)頻率或振幅的差異。但DAPT處理或早老蛋白敲除后抑制了突觸傳遞。因此，慢性γ-分泌酶抑制會導(dǎo)致突觸數(shù)量的增加，但不會改變自發(fā)的mEPSC頻率，并會減少突觸的傳遞。此外，研究人員通過監(jiān)測刺激誘導(dǎo)后的EPSCs，發(fā)現(xiàn)γ-分泌酶慢性抑制導(dǎo)致了神經(jīng)遞質(zhì)釋放概率的降低，表明突觸功能的損害是由于神經(jīng)遞質(zhì)釋放概率的降低而損傷。

圖2：γ-分泌酶的活性是正常神經(jīng)遞質(zhì)釋放所必需的

為明確急/慢性γ-分泌酶抑制對突觸釋放概率的不同影響，研究人員監(jiān)測了不同時間點(diǎn)的EPSCs。發(fā)現(xiàn)γ-分泌酶急性抑制（第1天），沒有觀察到突觸傳遞的變化。相反，γ-分泌酶慢性抑制（第10天到第21天）損害了突觸傳遞。這些結(jié)果表明，慢性而非急性的γ-分泌酶抑制作用損害了突觸傳遞，提示γ-分泌酶在神經(jīng)遞質(zhì)釋放中起間接作用。

圖3.急性γ-分泌酶抑制并不損害突觸傳遞

3. 慢性γ-分泌酶抑制選擇性地刺激膽固醇合成基因的轉(zhuǎn)錄

為探究慢性γ-分泌酶抑制作用于突觸的具體機(jī)制，研究人員進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)在人類神經(jīng)元中，慢性γ-分泌酶抑制誘導(dǎo)的上調(diào)基因，都參與膽固醇的合成或運(yùn)輸，且慢性γ-分泌酶抑制刺激了膽固醇代謝的表達(dá)。定量RT-PCR分析的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)在慢性γ-分泌酶抑制后，幾乎所有膽固醇合成途徑中的關(guān)鍵基因都在神經(jīng)元中特異性上調(diào)。

圖4：慢性抑制γ-分泌酶活性可上調(diào)人類神經(jīng)元中膽固醇合成基因的表達(dá)，

但在小鼠膠質(zhì)細(xì)胞中沒有

4. γ-分泌酶抑制可降低細(xì)胞膽固醇水平

為驗(yàn)證慢性γ-分泌酶抑制是否可以降低神經(jīng)元細(xì)胞膽固醇的水平，研究人員檢測了在不同抑制條件下神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中未酯化和酯化膽固醇的細(xì)胞含量。結(jié)果顯示：神經(jīng)元中的總膽固醇下降了大約20%，而膠質(zhì)細(xì)胞中的膽固醇沒有明顯變化。

圖5：慢性抑制γ-分泌酶活性可降低人類神經(jīng)元的質(zhì)膜膽固醇

5.直接抑制膽固醇合成會損害神經(jīng)遞質(zhì)的釋放

為探究γ-分泌酶是直接調(diào)節(jié)突觸前釋放還是通過控制神經(jīng)元膽固醇含量間接發(fā)揮作用，研究人員使用他汀類藥物（可慢性抑制神經(jīng)元的膽固醇合成）作為γ-分泌酶抑制劑。結(jié)果顯示：他汀類藥物通過降低細(xì)胞內(nèi)膽固醇水平，導(dǎo)致膽固醇合成基因的轉(zhuǎn)錄增加，而對突觸密度沒有影響。這些結(jié)果表明：慢性γ-分泌酶抑制通過與膽固醇無關(guān)的機(jī)制改變突觸數(shù)量。此外，他汀類藥物的慢性膽固醇合成抑制，降低了突觸強(qiáng)度，表明慢性γ-分泌酶抑制通過減少神經(jīng)元膽固醇合成和降低神經(jīng)元膽固醇含量來抑制人類神經(jīng)元的突觸強(qiáng)度。

圖6：他汀類藥物上調(diào)膽固醇合成基因，但不增加突觸數(shù)量

總結(jié)

這項研究報道了γ-分泌酶調(diào)節(jié)突觸傳遞的新機(jī)制，即通過控制神經(jīng)元膽固醇水平，進(jìn)而控制突觸前釋放的概率，揭示了γ-分泌酶在維持神經(jīng)元膽固醇水平方面的主要功能，同時將γ-分泌酶功能障礙與AD患者的膽固醇變化和突觸功能障礙聯(lián)系起來，為AD藥物靶點(diǎn)的潛在開發(fā)開辟了新的途徑。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.07.005

參考文獻(xiàn)

Sofia Essayan-Perez1, Thomas C. Südhof. Neuronal γ-secretase regulates lipid metabolism,linking cholesterol to synaptic dysfunction in Alzheimer’s disease.Neuron.111, 1–19, October 18, 2023.

編譯作者：悟空（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）






標(biāo)簽：腦科學(xué)