ABCA7功能缺失变异通过破坏神经元磷脂酰胆碱代谢和线粒体功能增加阿尔茨海默病风险

为解决ABCA7功能缺失变异如何增加阿尔茨海默病风险这一机制难题，研究人员通过单细胞转录组学、分子动力学模拟和干细胞模型等多学科方法，发现ABCA7-LoF变异导致神经元磷脂酰胆碱代谢紊乱、线粒体解偶联受损和氧化应激增加，而CDP-胆碱干预可逆转这些异常并改善Aβ病理和神经元超兴奋性，为AD治疗提供了新的靶点和策略。

在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的遗传风险因素中，ABCA7的功能缺失（loss-of-function, LoF）变异是仅次于APOE4的强风险因素，但其具体致病机制尚不明确。ABCA7作为一种脂质转运蛋白，在脑内负责磷脂的跨膜运输，然而其在不同神经细胞类型中的特异性作用以及如何导致AD病理改变仍缺乏系统研究。随着单细胞技术的快速发展，使得在单细胞分辨率下解析ABCA7-LoF变异引起的转录组改变成为可能，这为揭示其分子机制提供了新的机遇。

为了深入解析ABCA7-LoF变异在AD中的致病机制，研究人员开展了一项综合性研究。他们首先利用单核RNA测序（single-nucleus RNA-sequencing, snRNA-seq）技术，对来自ROSMAP队列的12例ABCA7-LoF变异携带者和24例匹配对照的死后前额叶皮质（prefrontal cortex, PFC）样本进行分析，构建了细胞类型特异性的转录组图谱。研究发现兴奋性神经元中ABCA7表达最高，且ABCA7-LoF变异导致多种神经细胞类型的广泛基因表达改变，其中兴奋性神经元表现出脂质代谢、线粒体功能、DNA修复和突触信号通路的显著紊乱。

通过基因集富集分析（gene set enrichment analysis, GSEA）和Kernighan-Lin通路聚类分析，研究人员发现ABCA7-LoF相关的转录改变主要涉及三个核心主题：能量代谢和脂质稳态、DNA损伤和细胞应激反应、以及突触信号传导。值得注意的是，常见的AD相关ABCA7 p.Ala1527Gly错义变异也显示出与LoF变异相似的转录扰动模式。分子动力学模拟揭示，Gly1527变异在ATP结合的闭合构象中表现出更高的结构灵活性，可能降低脂质挤出效率，这为常见和罕见ABCA7变异通过相似机制影响AD风险提供了结构基础。

为了验证这些发现，研究人员利用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了两种同基因的ABCA7-LoF诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）系（p.Glu50fs3和p.Tyr622），并将其分化为诱导神经元（induced neurons, iNs）。这些ABCA7-LoF神经元重现了死后脑组织中观察到的转录改变，特别是与蛋白酶体功能、细胞周期调控、脂质代谢和线粒体功能相关的基因簇。深入分析发现，ABCA7-LoF神经元中线粒体相关基因表达异常，包括凋亡通路基因（如CASP3和BID）和氧化磷酸化（OXPHOS）亚基的上调，以及β-氧化（ACAD和CPT）和氧化应激解毒（CAT）基因的下调。

功能实验表明，ABCA7-LoF神经元表现出线粒体解偶联呼吸（uncoupled mitochondrial respiration）显著降低，线粒体膜电位（ΔΨ_m）升高，以及氧化应激增加。脂质组学分析发现，ABCA7-LoF神经元中磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine, PC）组成发生显著改变，饱和PC物种增加而高度多不饱和PC物种减少，同时伴有长链多不饱和甘油三酯（triglycerides, TGs）的积累。这些脂质改变与LPCAT3（负责将多不饱和脂肪酸引入PC的酶）表达降低相一致。

研究人员进一步测试了CDP-胆碱（胞苷二磷酸胆碱）干预的效果。CDP-胆碱处理显著增加了ABCA7-LoF神经元中胆碱含磷脂的水平，增强了Kennedy通路介导的PC合成和Lands循环介导的PC重塑。转录组分析显示，CDP-胆碱处理逆转了ABCA7-LoF引起的大多数基因表达改变，特别是与线粒体功能、蛋白酶体和核糖体功能相关的基因簇。更重要的是，CDP-胆碱处理恢复了线粒体解偶联功能，降低了线粒体膜电位和氧化应激水平。

在疾病表型方面，CDP-胆碱处理显著降低了ABCA7-LoF皮质器官oid中Aβ40和Aβ42的分泌水平，并改善了神经元超兴奋性。这些发现表明，针对PC代谢的干预策略可能有效缓解ABCA7功能障碍相关的AD病理改变。

本研究采用了多种关键技术方法：利用ROSMAP队列的死后人脑样本进行单核RNA测序分析；采用CRISPR-Cas9基因编辑构建同基因iPSC系并分化为诱导神经元；通过分子动力学模拟分析蛋白质结构变化；使用Seahorse分析仪测量线粒体氧消耗率；采用液相色谱-质谱联用技术进行脂质组学和代谢组学分析；通过免疫染色和活细胞成像评估线粒体功能和氧化应激水平。

研究结果表明，ABCA7-LoF变异通过破坏神经元PC代谢，导致线粒体功能异常和氧化应激增加，从而促进AD病理发生。常见的ABCA7 p.Ala1527Gly变异也可能通过类似机制影响AD风险。CDP-胆碱干预能够有效逆转这些异常，改善Aβ病理和神经元超兴奋性，这为AD治疗提供了新的靶点和策略。该研究不仅揭示了ABCA7-LoF变异在AD中的致病机制，还提出了通过调节磷脂代谢来治疗AD的新思路，对于理解脂质代谢在神经退行性疾病中的作用具有重要意义。

研究结论强调，ABCA7功能障碍引起的PC代谢紊乱是AD风险的重要机制，而增强PC合成和重塑可能成为一种有效的治疗策略。这些发现与最近关于APOE4和相关脂质代谢紊乱的研究相一致，进一步支持了脂质代谢在AD pathogenesis中的核心作用。未来的研究需要进一步阐明ABCA7如何精确调节PC组成，以及CDP-胆碱治疗的最佳剂量和时间窗口，为临床转化提供更多依据。