Cell Stem Cell：下丘腦調(diào)控成年海馬新生神經(jīng)元改善AD認知情感障礙

阿爾茲海默病（AD）是一類以認知情感損害為主要行為表現(xiàn)的嚴重神經(jīng)退行性疾病。通過調(diào)控成年海馬神經(jīng)發(fā)生（AHN）以改善AD認知情感損害的有效性存在爭議。近日，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校（UNC）宋娟課題組博士后李亞東（現(xiàn)為上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院松江研究院研究員）、羅艷佳（共同第一作者，現(xiàn)為上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第九人民醫(yī)院研究員）等在調(diào)控成年海馬新生神經(jīng)元改善AD認知情感障礙方向取得重要研究進展，相關(guān)成果于4月6日以‘Activation of hypothalamic-enhanced adult-born neurons restores cognitive and affective function in Alzheimer's disease’為題在《Cell Stem Cell》以Article形式發(fā)表。

近年來，通過調(diào)控海馬神經(jīng)發(fā)生改善AD認知情感損害一直是研究熱點。已有研究使用基因調(diào)控策略，干預(yù)AHN的不同基因在拯救海馬新生神經(jīng)元改善記憶的效果上存在明顯差異，且對于神經(jīng)發(fā)育的動態(tài)過程描述不清。不同于基因操控，靶向神經(jīng)環(huán)路可以實現(xiàn)對AHN不同階段的精準調(diào)控。李亞東博士等前期報道已證實刺激下丘腦覺醒核團SuM促進空間記憶，增加海馬新生神經(jīng)元數(shù)量及成熟度并對抗焦慮樣行為。那么操控SuM環(huán)路能否改善AD小鼠的神經(jīng)發(fā)生正是本篇文章的研究重點。
 

01
5×FAD小鼠的海馬神經(jīng)發(fā)生受損早于行為缺陷發(fā)生

通過染色及譜系追蹤方法證實AHN損傷始于3.5月齡5×FAD小鼠，此時僅神經(jīng)前體細胞的增殖受到影響，但并未導(dǎo)致ABN生成減少。使用行為學(xué)（新位置識別，條件恐懼，曠場，O迷宮，強迫游泳）測試3.5月齡和4.5月齡的5×FAD小鼠的海馬依賴性記憶表現(xiàn)和情緒狀態(tài)，以確定這些行為發(fā)生受損的時間。結(jié)果表明4.5月齡(而非3.5月齡)5×FAD小鼠的記憶受損，焦慮和抑郁樣行為增加。但是使用化學(xué)遺傳學(xué)激活A(yù)BN并不能挽救5×FAD小鼠的行為缺陷。
 

 

02
模式光遺傳刺激SuM可促進5×FAD小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生，并不改善記憶情感功能

針對化學(xué)遺傳學(xué)并未改善AD小鼠行為缺陷可能是因為AD小鼠的ABN數(shù)量降低且功能受損。因此，研究人員采用的第二項方案便是增加ABN的數(shù)量。研究團隊使用光遺傳學(xué)法（optogenetics）刺激3.5-5個月大AD小鼠的SuM，成功促進了AHN，ABN的數(shù)量和突觸連接均得到改善。但遺憾的是，AD小鼠的記憶情感功能并未明顯提高。

使用c-fos染色及光纖記錄方法（RWD光纖記錄系統(tǒng)）檢測5×FAD小鼠中DG投射SuM神經(jīng)元的活性，課題組發(fā)現(xiàn)在4.5月齡(而非3.5月齡)5×FAD小鼠中DG投射SuM神經(jīng)元的c- Fos表達和Ca2+活性顯著降低。在4.5月齡的ChR2-AD小鼠中，慢性模式光遺傳刺激SuM導(dǎo)致細胞密度顯著增加，同時樹突棘密度顯著增加。在ChR2-AD小鼠的CA3亞區(qū)中，ABN的苔蘚纖維軸突顯著增加，表明SuM增強了ABN與CA3神經(jīng)元之間的連接。但行為學(xué)測試中，AD小鼠的記憶情感功能并未明顯提高。

03
激活SuM增強的ABN可改善5×FAD小鼠的行為缺陷

既然激活受損的ABN或者單純增加ABN數(shù)量，均不足以改善AD小鼠記憶情感功能。于是研究人員將二者綜合，綜合調(diào)控ABN數(shù)量、成熟度和活性，以最.大程度實現(xiàn)對記憶情感功能的調(diào)控。研究團隊首先通過光遺傳學(xué)刺激4.5個月AD小鼠的SuM，增加ABN數(shù)量和成熟度；而后使用化學(xué)遺傳學(xué)激活SuM環(huán)路修飾的ABN，增加其活性。結(jié)果顯示，小鼠的空間記憶損害和抑郁樣行為均得到改善，并恢復(fù)至健康小鼠的水平。

04
激活SuM增強的ABN可逆轉(zhuǎn)老齡3×Tg-AD小鼠的行為缺陷

鑒于5×FAD小鼠出現(xiàn)Aβ沉積的時間較早，此類小鼠模型中缺乏對AD至關(guān)重要的衰老因子。為了解決這一問題，課題組使用了另外一種AD小鼠模型3× Tg-AD，該模型的AD病理進程比5×FAD小鼠慢得多。同樣發(fā)現(xiàn)光遺傳學(xué)刺激可增加ABN數(shù)量和成熟度，化學(xué)遺傳學(xué)激活SuM環(huán)路修飾的ABN改善了小鼠的空間記憶損害和抑郁樣行為，并且不影響運動。

05
5×FAD小鼠中SuM增強ABN激活介導(dǎo)的信號機制

為了探究激活SuM環(huán)路修飾的ABN改善記憶和情感的神經(jīng)環(huán)路和分子機制。作者采用磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)SuM刺激的ChR2-AM3-AD小鼠的磷酸化水平發(fā)生了改變,但總體蛋白水平?jīng)]有顯著改變。對SuM增強的ABN進行急性刺激后，與突觸可塑性相關(guān)的通路顯著激活，例如長時程增強(long-term potentiation, LTP)、CREB信號傳導(dǎo)和突觸發(fā)生，此外小膠質(zhì)細胞吞噬斑塊相關(guān)的通路也顯著激活。

在海馬的各個亞區(qū)中，上述通路中幾種關(guān)鍵蛋白的磷酸化水平會在其中的齒狀回、CA3和CA1區(qū)發(fā)生不同程度的改變。進一步的功能檢驗指出，激活SuM環(huán)路修飾的ABN可能通過改變海馬突觸可塑性、神經(jīng)元活性改善AD認知情感功能，同時促進小膠質(zhì)細胞吞噬淀粉樣斑塊的作用。

06
SuM增強的ABN的激活增加了AD小鼠CA3和CA1活性

為了對CA1的突觸可塑性進行功能驗證。通過膜片鉗技術(shù)記錄海馬LTP，在ChR2-AM3-AD小鼠中，通過CNO處理的ABN的急性化學(xué)遺傳激活導(dǎo)致了CA1 LTP的顯著增加。結(jié)合蛋白組學(xué)的數(shù)據(jù)，神經(jīng)元中CREB信號的激活，促使作者思考激活SuM增強的ABN是否會改變局部海馬環(huán)路的活動。通過c-Fos染色及光纖記錄（研究使用到RWD光纖記錄系統(tǒng)）證實SuM增強的ABN激活增加了海馬CA3和CA1(而不是DG)的活性。

07
在5×FAD小鼠中，SuM增強的ABN的激活增加了小膠質(zhì)細胞對斑塊的吞噬

通過Imaris成像分析，SuM增強ABN的急性化學(xué)遺傳激活后提高了小膠質(zhì)細胞對斑塊的吞噬作用，SuM增強的ABN的急性激活顯著降低了小膠質(zhì)細胞的體細胞面積，增加了突起的分支，并降低了形態(tài)學(xué)指數(shù)。這些結(jié)果表明，在AD小鼠中，SuM增強的ABNs的激活促進了小膠質(zhì)細胞對斑塊的吞噬并改善了小膠質(zhì)細胞的形態(tài)。

在本研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在AD小鼠模型中，模式性光遺傳刺激SuM可增強AHN。SuM環(huán)路修飾的ABN的化學(xué)遺傳激活可改善AD小鼠的記憶和情緒缺陷。而單獨的SuM刺激或激活非SuM環(huán)路修飾的ABN不能恢復(fù)AD小鼠的行為缺陷。此外，定量磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析揭示了與之產(chǎn)生變化的突觸可塑性和小膠質(zhì)細胞吞噬相關(guān)的經(jīng)典通路。此項研究證實了SuM增強的ABN在調(diào)節(jié)AD相關(guān)缺陷中的貢獻，僅激活一小部分新生神經(jīng)元（ABN） 活性，就足以恢復(fù)AD相關(guān)的認知和情感缺陷；并揭示了由SuM增強的ABN激活介導(dǎo)的信號機制，在AD治療的分子機制上提供了潛在的蛋白靶點，為臨床轉(zhuǎn)化和藥物開發(fā)提供方向。

 

【人才招聘】上海交通大學(xué)松江研究院李亞東課題組誠聘神經(jīng)科學(xué)方向副研究員、博士后和研究助理，具體聯(lián)系方式：yadlee@126.com

課題組長介紹：李亞東，獨立PI，研究員，博士生導(dǎo)師。2018年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)藥理學(xué)系，獲理學(xué)博士學(xué)位。2018-2023年在美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校進行博士后訓(xùn)練。2023年入職上海交通大學(xué)松江研究院。李亞東博士長期從事調(diào)控睡眠覺醒和學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)環(huán)路和分子機制研究，相關(guān)成果以第一作者發(fā)表在Cell Stem Cell, Nature Neuroscience, Molecular Psychiatry, Nature Communications和eLife等期刊，博士后期間獲得美國NARSAD青年科學(xué)家獎資助。