MCH功能紊亂與早期AD的關(guān)系研究，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)
2023年5月16日，比利時(shí)腦和疾病VIB研究中心Joris de Wit研究團(tuán)隊(duì)在Nature neuroscience上發(fā)表“Early alterations in the MCH system link aberrant neuronal activity and sleep disturbances in a mouse model of Alzheimer’s disease”，揭示MCH系統(tǒng)的早期改變將阿爾茨海默病小鼠模型中的異常神經(jīng)元活動(dòng)和睡眠障礙聯(lián)系起來(lái)。
早期阿爾茨海默病(AD)與海馬體過(guò)度活躍和睡眠質(zhì)量下降有關(guān)。AD患者前驅(qū)期存在睡眠障礙同時(shí)伴有突發(fā)性的癲癇樣放電。在Aβ沉積小鼠模型中，在睡眠和麻醉等低覺(jué)醒狀態(tài)下皮層和海馬神經(jīng)元的過(guò)度活躍更為突出，神經(jīng)穩(wěn)態(tài)可塑性參與調(diào)控多種重要的生理過(guò)程，神經(jīng)元的興奮性處于持續(xù)改變狀態(tài)時(shí)主動(dòng)啟動(dòng)程序化事件，對(duì)突觸功能進(jìn)行調(diào)節(jié)以對(duì)抗神經(jīng)活性的持續(xù)性改變，維持正常的神經(jīng)功能，然而其異?？蓪?dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興奮-抑制失衡。認(rèn)知穩(wěn)定性表明，在此階段，穩(wěn)態(tài)可塑性機(jī)制被招募來(lái)抵消神經(jīng)元活動(dòng)與生理窗口的偏差，從而防止認(rèn)知衰退的早期發(fā)作。Pmch基因編碼黑色素聚集激素(MCH)前體多肽，加工合成MCH，主要表達(dá)在外側(cè)下丘腦，本研究中將MCH確定為AD早期的一個(gè)脆弱系統(tǒng)，并提出了一個(gè)模型，在該模型中，CA1中MCH依賴性突觸功能受損和睡眠-覺(jué)醒結(jié)構(gòu)紊亂協(xié)同損害神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)。研究表明穩(wěn)態(tài)機(jī)制會(huì)暫時(shí)抵消AppNL-G-F小鼠中CA1神經(jīng)元興奮性驅(qū)動(dòng)的增加，但這種機(jī)制在老年小鼠中失效。受損的MCH系統(tǒng)功能會(huì)導(dǎo)致異常的興奮性驅(qū)動(dòng)和睡眠缺陷，從而損害海馬體依賴性功能。
圖一 App-NL-G-F小鼠海馬突觸可塑性存在時(shí)間依賴性變化
電生理結(jié)果發(fā)現(xiàn)2月齡和3月齡App-NL-G-F小鼠海馬CA1腦區(qū)錐體神經(jīng)元自發(fā)性興奮性突觸后電流增加且還未出現(xiàn)Aβ沉積，然而4月齡小鼠自發(fā)性興奮性突觸后電流減弱，這種突觸可塑性在6月齡增強(qiáng)。免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)4月齡App-NL-G-F小鼠海馬CA1腦區(qū)神經(jīng)元激活減少，在6月齡增加激活增多。表明穩(wěn)態(tài)反應(yīng)最初是在3到4個(gè)月之間招募的抵消CA1神經(jīng)元中興奮性突觸傳遞的增加，但不足以在6個(gè)月時(shí)穩(wěn)定控制突觸傳遞以響應(yīng)持續(xù)的Aβ積累。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)3.5月齡App-NL-G-F小鼠海馬CA1腦區(qū)中200個(gè)差異性表達(dá)基因中約三分之一與突觸可塑性有關(guān)，其中Gria1和Gria2編碼AMPA受體(AMPAR)亞基表達(dá)降低，表達(dá)上調(diào)最明顯的是Pmch。以上結(jié)果表明App-NL-G-F 小鼠海馬CA1腦區(qū)錐體神經(jīng)元在3月到4月齡之間發(fā)生穩(wěn)態(tài)的突觸可塑性。
圖二 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)揭示Pmch是可塑性反應(yīng)的關(guān)鍵參與者
為了確定是否可以在分子水平上檢測(cè)AppNL-G-小鼠CA1錐體層穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，分析了3.5月齡大時(shí)的空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)集。從野生型(WT)和AppNL-G-F小鼠中檢索了覆蓋包含CA1神經(jīng)元細(xì)胞體的錐體層的小組織域(TD)，并量化了基因型之間的差異表達(dá)(DE)轉(zhuǎn)錄本。前200個(gè)DE基因的基因本體論(GO)分析將神經(jīng)元突觸可塑性調(diào)節(jié)確定為頂級(jí)GO類別，五個(gè)頂級(jí)富集GO類別中的三個(gè)與突觸過(guò)程相關(guān)。然后，將前200個(gè)DE基因與穩(wěn)態(tài)突觸可塑性經(jīng)典模型的四個(gè)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)集交叉引用，發(fā)現(xiàn)62個(gè)DE基因至少在其中一個(gè)數(shù)據(jù)集中被調(diào)節(jié)。其中，21個(gè)基因在SynGO數(shù)據(jù)庫(kù)中也具有突觸功能，這些包括Arc、Nptx1和Epha4等基因，它們根據(jù)神經(jīng)元活動(dòng)的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及編碼AMPAR亞基的Gria1和Gria2，這些基因在AppNL-G-F小鼠的CA1中都被下調(diào)。與電生理學(xué)和免疫組織化學(xué)觀察結(jié)果一致，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析揭示了3.5月齡鼠AppNL-G-F CA1錐體層中穩(wěn)態(tài)突觸可塑性反應(yīng)的分子特征。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，3.5月齡時(shí)AppNL-G-F小鼠的CA1錐體區(qū)中上調(diào)最多的基因是Pmch， Pmch編碼的前原黑色素濃縮激素肽，該肽進(jìn)一步加工成多種肽，包括MCH。雖然沒(méi)有精確的海馬突觸功能歸因于該肽，但有研究提出其功能性MCH受體1 (MCHR1)參與可塑性。此外，在海馬體中注射MCH可促進(jìn)記憶，MCH下丘腦陽(yáng)性神經(jīng)元在睡眠期間的新奇感檢測(cè)和記憶鞏固中發(fā)揮作用。通過(guò)單分子熒光原位雜交和可用的單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)集證實(shí)Pmch mRNA主要在位于下丘腦外側(cè)區(qū)（LHA）的神經(jīng)元中表達(dá)，WT或AppNL-G-F CA1中的興奮性和抑制性神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞均不表達(dá)Pmch。LHA中的 MCH神經(jīng)元廣泛投射其富含MCH的軸突末端，包括投射到背側(cè)CA1區(qū)域。因此，空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析在CA1中檢測(cè)到的Pmch表達(dá)升高表明MCH陽(yáng)性軸突中Pmch mRNA的增加，CA1錐體神經(jīng)元確實(shí)表達(dá)MCHR1。
圖三 海馬MCH調(diào)控穩(wěn)態(tài)突觸可塑性
為進(jìn)一步證實(shí)MCH在海馬突觸可塑性中的作用進(jìn)行離體細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孵育MCH可減弱海馬神經(jīng)元興奮性突觸后電流，在給與GABAB受體激動(dòng)劑后可明顯阻斷MCH誘發(fā)的突觸強(qiáng)度減弱效應(yīng)。3月齡App-NL-G-F小鼠CA1腦區(qū)錐體神經(jīng)元孵育MCH后也可明顯減弱微小興奮性突觸后電流，結(jié)果表明MCH降低了海馬體的興奮性突觸強(qiáng)度。接下來(lái)，作者用MCH肽處理在多電極陣列(MEA)上生長(zhǎng)的培養(yǎng)的WT海馬神經(jīng)元，并記錄24小時(shí)內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)，MCH應(yīng)用導(dǎo)致平均放電率持續(xù)下降。為了測(cè)試MCH是否調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)機(jī)制，使用GABAB受體激動(dòng)劑巴氯芬，在MCH存在的情況下應(yīng)用巴氯芬會(huì)導(dǎo)致平均放電率暫時(shí)降低，這些結(jié)果表明MCH肽限制了平均放電率重整化的活性依賴性補(bǔ)償機(jī)制。為了揭示MCH誘導(dǎo)反應(yīng)的分子相關(guān)性，對(duì)經(jīng)MCH處理的海馬神經(jīng)元進(jìn)行了批量RNA測(cè)序，MCH治療持續(xù)下調(diào)了幾個(gè)與神經(jīng)元興奮性和突觸可塑性有關(guān)的基因，包括Nr4a1（下調(diào)最多的基因）、Fos、Fosb、Fosl2、Arc和Npas4，Bdnf和Ptgs2。MCH應(yīng)用還誘導(dǎo)了Spry2、Ptgs2和Sik1的下調(diào)以及Prokr2和Klhl24的上調(diào)。這些變化已被證明可以保護(hù)神經(jīng)元在紅藻氨酸介導(dǎo)的反應(yīng)和癲癇期間免受興奮性毒性。總之，該結(jié)果表明，從CA1區(qū)域的MCH軸突釋放的MCH可以通過(guò)降低突觸強(qiáng)度、平均放電率以及神經(jīng)元興奮性相關(guān)和突觸可塑性相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)保護(hù)CA1錐體神經(jīng)元免受異常興奮。
圖四 AppNL-G-F小鼠中活躍的MCH神經(jīng)元比例減少和快速眼動(dòng)睡眠受到干擾
MCH不僅下調(diào)突觸強(qiáng)度和平均放電率，同時(shí)調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元的穩(wěn)態(tài)機(jī)制并逆轉(zhuǎn)AppNL-G-F CA1錐體神經(jīng)元的異常興奮活動(dòng)。與6月齡的WT小鼠相比，AppNL-G-F小鼠的MCH神經(jīng)元活動(dòng)是否發(fā)生了改變，此時(shí)CA1興奮性活動(dòng)穩(wěn)定性喪失。MCH神經(jīng)元在快速眼動(dòng)(REM)睡眠期間最活躍，并與LHA中促進(jìn)清醒狀態(tài)的食欲素(Hcrt/Ox)陽(yáng)性神經(jīng)元混合在一起。量化cFos陽(yáng)性MCH神經(jīng)元和Hcrt/Ox神經(jīng)元的百分比發(fā)現(xiàn)，6小時(shí)睡眠剝奪(SD)后，以及6小時(shí)睡眠剝奪后4小時(shí)的睡眠反彈，在此期間MCH神經(jīng)元非?；钴S。睡眠反彈增加了WT小鼠中cFos陽(yáng)性MCH神經(jīng)元的百分比。然而在AppNL-G-F小鼠中，這種睡眠反彈誘導(dǎo)的MCH神經(jīng)元的百分比增加受到抑制。以上結(jié)果表明AppNL-G-F小鼠在6月齡時(shí)的睡眠反彈后活躍的MCH神經(jīng)元的百分比降低。
圖五 AD早期海馬MCH 軸突形態(tài)出現(xiàn)紊亂
在經(jīng)歷睡眠剝奪后出現(xiàn)睡眠反彈過(guò)程中，WT小鼠海馬腦區(qū)MCH陽(yáng)性神經(jīng)元激活增多，但在App-NL-G-F小鼠并沒(méi)有出現(xiàn)這種增強(qiáng)。進(jìn)一步記錄不同睡眠時(shí)期時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)App-NL-G-F小鼠快速眼動(dòng)睡眠時(shí)間減少，但非快速眼動(dòng)睡眠和覺(jué)醒時(shí)期兩個(gè)階段維持時(shí)間未發(fā)生變化。免疫熒光染色發(fā)現(xiàn)6月齡App-NL-G-F小鼠海馬腦區(qū)MCH陽(yáng)性信號(hào)面積增多，為了確定AppNL-G-F小鼠中的這些觀察結(jié)果是否與人類相關(guān)，分析了AD患者死后海馬切片中的MCH軸突形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在AD患者中也能觀察到類似變化。在睡眠剝奪和睡眠反彈期野生型小鼠海馬腦區(qū)MCH陽(yáng)性信號(hào)個(gè)數(shù)增多，然而App-NL-G-F小鼠并不存在這種變化，這些結(jié)果表明App-NL-G-F 小鼠MCH陽(yáng)性軸突形態(tài)出現(xiàn)障礙。
CA1中MCH依賴性突觸功能受損和 REM睡眠擾動(dòng)協(xié)同損害神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致CA1中的異常神經(jīng)元活動(dòng)，可能增加癲癇發(fā)作的易感性。AppNL-G-F小鼠在腹膜內(nèi)注射低于閾值劑量的GABAA受體拮抗劑戊四氮(PTZ)后更容易發(fā)生癲癇發(fā)作，并且發(fā)現(xiàn)急性睡眠擾動(dòng)會(huì)增強(qiáng)這種情況。該研究所提出的模型為先前在AD早期觀察到的異常神經(jīng)元活動(dòng)、睡眠障礙和記憶形成受損提供了細(xì)胞和分子基礎(chǔ)。體內(nèi)平衡的細(xì)胞調(diào)節(jié)劑對(duì) AD相關(guān)病理學(xué)的反應(yīng)失敗在疾病進(jìn)展中起著關(guān)鍵作用。最近研究表明AD小鼠模型中鼻內(nèi)輸注MCH可以改善記憶力并降低可溶性Aβ水平。然而，由于操縱 MCH系統(tǒng)導(dǎo)致的廣泛的行為和代謝影響在將這些結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為人類治療選擇時(shí)需要謹(jǐn)慎。MCH介導(dǎo)的神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)受損可能與其他神經(jīng)退行性疾病和精神疾病廣泛相關(guān)。綜上所述，本文揭示了AD疾病早期海馬MCH功能紊亂后引起異常的興奮性神經(jīng)元驅(qū)動(dòng)作用，誘發(fā)穩(wěn)態(tài)突觸可塑性障礙，并破壞睡眠結(jié)構(gòu)。
https://www.nature.com/articles/s41593-023-01325-4
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