编辑推荐：
为解决神经退行性疾病中脂质代谢紊乱的机制问题，研究人员开展"神经脂质图谱（Neurolipid Atlas）"数据平台构建及APOE4基因型对星形胶质细胞脂质代谢影响的研究，发现APOE4驱动胆固醇酯(CE)在星形胶质细胞中异常积累，并通过多组学分析证实其抑制MHC I类抗原呈递和免疫蛋白酶体通路，揭示了胆固醇代谢调控星形胶质细胞免疫反应的新机制，为阿尔茨海默病治疗提供了新靶点。
大脑作为人体中脂质最丰富的器官之一，高度依赖于正常的脂质稳态。近年来，脂质代谢改变已被证实与多种神经退行性疾病密切相关，包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病、脊髓小脑共济失调、肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶痴呆(FTD)等。特别是在AD中，载脂蛋白E(APOE)基因的ε4等位基因(APOE4)是最主要的遗传风险因素，能将AD风险提高3-14倍。然而，由于脂质分子的复杂性和缺乏标准化工具，研究人员对特定脂质种类及其下游通路在各种神经退行性疾病中的具体作用了解甚少。
为了促进跨脑疾病的比较脂质组学研究，研究人员建立了一个名为"神经脂质图谱(Neurolipid Atlas)"的数据公共平台，并预先填充了来自不同脑疾病的同基因诱导多能干细胞(iPSC)衍生的脂质组学数据。该资源还包含人和小鼠脑组织的脂质组学数据。利用多个数据集，研究团队证明iPSC衍生的神经元(iNeurons)、小胶质细胞(iMicroglia)和星形胶质细胞(iAstrocytes)表现出独特的脂质谱，重现了体内脂型特征。
值得注意的是，AD风险基因APOE4特异性驱动胆固醇酯(CE)在人类星形胶质细胞中积累，研究人员在AD患者的全脑脂质组学中也观察到CE积累现象。对iPSC衍生星形胶质细胞的多组学分析显示，改变的胆固醇代谢在星形胶质细胞免疫通路中起主要作用，如免疫蛋白酶体和主要组织相容性复合体(MHC) I类抗原呈递。研究人员的数据公共平台(https://neurolipidatlas.com/)允许学术界进行数据存储，并提供了一个用户友好的工具和知识库，以更好地理解神经退行性疾病中的脂质稳态失调。
研究团队开发了一个标准化流程，结合同基因iPSC技术和脂质组学分析，能够量化超过1,000种不同的脂质种类。为了比较iPSC模型与体内的脂质变化，神经脂质图谱的第二个模块包含了来自不同疾病条件下的人和鼠脑组织的多个新脂质组学数据集。
研究发现，人类iNeurons、iAstrocytes和iMicroglia具有独特的脂质谱，重现了已知的体内脂型。在所有细胞类型中，磷脂酰胆碱(PC)和磷脂酰乙醇胺(PE)是最丰富的脂质类别。与小鼠脑细胞一致，研究人员在iNeurons中观察到相对最高的PC和PE水平。此外，PC衍生和PE衍生的溶血磷脂(LPC和LPE)在iNeurons中最丰富。鞘磷脂(SMs)在iMicroglia中高度丰富，在iAstrocytes中水平较低，在iNeurons中水平非常低，与新鲜分离的小鼠细胞相似。
研究人员确定了13个对照和20个AD患者的三个不同脑区的脂质组特征。他们选择了AD病理丰富的脑区(额叶皮层)和病理通常较低的脑区(小脑)。此外，在额叶皮层内，他们区分了灰质(髓鞘含量低)和白质(髓鞘丰富)。研究发现脑脂质组成存在显著的区域差异。额叶皮层白质具有高水平的CERs和SM，与这些脂质在髓鞘中的富集一致。相反，磷脂和储存脂质(如CE和TG)水平在小脑和额叶皮层灰质中相对较高。
当分析年龄匹配的AD与对照大脑时，主成分分析(PCA)在很大程度上分离了额叶皮层灰质和白质中的对照和AD样本，但在小脑中分离程度较低。这种分离主要由TG和CE种类驱动。在类别水平上，研究人员发现CE在AD额叶皮层的灰质和白质中显著上调，并在小脑中呈增加趋势。在个体脂质种类水平的分析也显示大多数CE种类增加，但没有单个CE种类达到显著性，可能反映了高度变异性。
随着CE积累成为AD的一个关键脂质特征，了解它如何促进AD发病机制变得非常重要。研究人员之前和其他人表明，CE积累在小胶质细胞吞噬富含胆固醇的髓鞘后改变了小胶质细胞功能。虽然CE水平在人类iAstrocytes中最高，但CE积累在这些细胞中的可能影响尚不清楚。
重要的是，星形胶质细胞表达高水平的AD风险基因和胆固醇载体APOE。APOE中的一个常见变异APOE4是AD的主要遗传风险因素，根据种族不同，能将AD风险提高3-4倍(杂合性)到14倍(纯合性)，在神经病理学确认的病例中报告的比值比甚至更高。
为了绘制APOE4如何影响星形胶质细胞脂质组，研究人员将APOE3/3和APOE4/4 iPS细胞的同基因对分化为iAstrocytes。他们选择了来自iPS细胞神经退行性疾病倡议(iNDI)的同基因对和来自欧洲iPS细胞银行的完全独立的同基因组，所有这些都来自高加索人种。通过蛋白质组和转录组分析，研究人员发现APOE4基因型降低了APOE水平，驱动CE积累，并抑制人类iAstrocytes中的干扰素信号依赖性通路，如MHC I类抗原呈递和免疫蛋白酶体。
干扰素依赖性通路的减少是显著的，因为APOE4被认为增强而不是减少免疫信号，因为星形胶质细胞增生是终末期AD的关键标志。然而，研究人员的数据清楚地证明了这些通路中蛋白质表达的持续减少，包括五种I类白细胞抗原(HLA-A、HLA-B、HLA-C、HLA-E和HLA-F)和免疫蛋白酶体的所有特定亚基(PSMB8、PSMB9和PSMB10)。
为了更好地理解在星形胶质细胞免疫功能背景下的脂质组学和蛋白质组学发现，研究人员还对反应性(用肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素-1α(IL-1α)和补体成分1q(C1q)处理)iAstrocytes进行了多组学分析。通过比较APOE4与APOE3以及APOE3与APOE3反应性iAstrocytes的脂质组学数据集，研究人员发现中性脂质受到相反调节。虽然CEs和TGs在APOE4 iAstrocytes中增加，但在反应性星形胶质细胞中它们在种类和类别水平上都强烈下调。
基于反应性iAstrocytes中CEs减少但APOE4 iAstrocytes中增加，研究人员假设胆固醇代谢的变化可能直接有助于免疫表型。使用蛋白质组学分析，研究人员还发现一组特定的胆固醇合成基因在反应性iAstrocytes中上调。为了测试胆固醇是否调节人类iAstrocytes中的免疫反应性，研究人员用胆固醇处理了Kolf2.1J和BIONi037对照(APOE3)iAstrocytes。胆固醇处理后，MHC I类呈递和IL-6分泌都显著增加。
研究人员的数据表明，胆固醇是人类星形胶质细胞中MHC I类抗原呈递和免疫反应性的主要调节因子，而APOE4失调的胆固醇代谢损害了星形胶质细胞的免疫反应性。
虽然RNA和蛋白质组学数据集的存储库在神经退行性疾病领域很常见，但目前缺乏类似的(神经)脂质组学数据资源。为了标准化和允许在没有生物信息学知识的情况下探索数据，研究人员生成了一个在线脂质组学浏览器——神经脂质图谱(https://neurolipidatlas.com/)。该浏览器包括上面呈现的所有数据，以及与大量合作者生成的(未)发表的脂质组学数据，目前总计超过70个数据集，涵盖四种神经退行性疾病和多种治疗条件。
所有当前数据集(和手稿图中的数据)都是为这篇手稿新生成的，除了最近发表的ALS数据集。研究人员实验室和合作者的新数据集将以持续的方式上传到数据库。实验室可以通过提供注释的脂质组学数据(符合LipidMaps简写符号)、元数据表(网站上提供的方法)和数据集的简短描述来向资源贡献他们的神经脂质组学数据。
研究的关键技术方法包括：采用同基因iPSC技术结合脂质组学分析，能够量化超过1,000种脂质种类；使用人类死后脑组织样本(来自伦敦皇后广场脑库的13名对照和20名AD捐赠者的额叶皮层灰质、白质和小脑组织)；通过定量鸟枪法脂质组学分析进行综合脂质检测；蛋白质组学和转录组学分析揭示分子机制；流式细胞术和免疫荧光验证表面标志物表达。
研究结果表明，人类iNeurons、iAstrocytes和iMicroglia表现出独特的脂质谱，重现体内脂型特征。CE积累是AD的一个关键标志，研究人员在人类散发性AD脑中观察到CE积累。APOE4驱动人类iAstrocytes中CE积累，研究人员在AD全脑脂质组学中也观察到CE积累。多组学分析显示，胆固醇代谢直接控制星形胶质细胞反应性，特别是干扰素依赖性通路如免疫蛋白酶体和MHC I类抗原呈递。高水平的游离胆固醇增强免疫反应性，而胆固醇酯化(在APOE4星形胶质细胞中增加)缓冲免疫反应性。
反应性人类iAstrocytes降低CE水平，增加MHC I抗原呈递和免疫蛋白酶体通路。胆固醇代谢调节人类iAstrocytes中的MHC I类抗原呈递和免疫反应性，而APOE4削弱了这一功能。神经脂质 Atlas 为神经退行性疾病提供了一个开放获取的脂质组学数据公共平台。
这些发现进一步巩固了CE积累是AD主要致病标志的观点。脑脊液中的CEs已被显示与从轻度认知障碍到AD的进展相关。神经元中的CE积累驱动pTau积累和Aβ过度生产。在TREM2或APOE缺失后，小胶质细胞中也检测到CE积累，抑制CE形成可改善小鼠模型中的斑块负担和认知功能。在APOE4少突胶质细胞中，CE积累导致神经元髓鞘形成紊乱。
研究人员的数据显示，CE在额叶皮层的白质和灰质中都积累，这表明不仅仅是髓鞘形成的少突胶质细胞有助于这种表型。蛋白质聚集和脱髓鞘等继发性神经退行性过程以及小胶质细胞中的CE积累可能是观察到的AD患者CE积累的可能解释。然而，研究发现AD遗传风险因素APOE4在无病理情况下强烈驱动星形胶质细胞中的CE积累，表明CE积累可能不仅仅是神经退行性疾病的下游效应，而是直接下游于AD风险基因。
总的来说，这些数据表明APOE4和AD呈现一个独特的脂型，主要特征为强烈的CE积累和TGs和SM的变化。为了更好地理解CE如何有助于体内AD发病机制(通过星形胶质细胞免疫抑制和/或其他细胞类型)，定义哪些细胞类型积累CE以及这种积累如何潜在地改变它们的功能将非常重要。
基于反应性iAstrocytes中CEs减少但APOE4 iAstrocytes中增加，研究人员假设胆固醇代谢的变化可能直接有助于免疫表型。使用蛋白质组学分析，研究人员还发现一组特定的胆固醇合成基因在反应性iAstrocytes中上调。为了测试胆固醇是否调节人类iAstrocytes中的免疫反应性，研究人员用胆固醇处理了对照iAstrocytes。胆固醇处理后，MHC I类呈递和IL-6分泌都显著增加。CEs通过酰基辅酶A：胆固醇酰基转移酶(ACAT)与游离脂肪酸结合形成，ACAT抑制剂avasimibe进一步增加了IL-6分泌，表明CE形成缓冲了胆固醇介导的免疫反应性。
研究人员的数据表明，胆固醇是人类星形胶质细胞中MHC I类抗原呈递和免疫反应性的主要调节因子，而APOE4失调的胆固醇代谢损害了星形胶质细胞的免疫反应性。将胆固醇水平与干扰素信号联系起来的精确通路需要更多研究。如脱髓鞘或神经元碎片吞噬等过程可能有助于增加AD脑中星形胶质细胞中的胆固醇水平。研究人员的数据表明，胆固醇可以增加IRF1水平，这是MHC I类表达的主要调节因子。胆固醇可能通过质膜中的脂筏或通过与cGAS-STING通路的相互作用与干扰素信号相交。然而，研究清楚地表明APOE4影响神经胶质免疫功能，这种效应是由APOE4诱导的神经胶质脂质代谢和储存变化介导的。
总的来说，研究人员的数据强调了脂质(特别是胆固醇)代谢在AD中的重要作用。他们创建了一个新工具(神经脂质图谱)作为不同细胞类型、突变、神经退行性疾病和模式生物的神经脂质组学数据集的资源。作为概念证明，研究人员表明iNeurons、iAstrocytes和iMicroglia具有重现体内脂型的独特脂质组。数据巩固了AD与胆固醇之间的联系，进一步确立CE积累作为AD的一个标志。最后，研究人员表明胆固醇调节星形胶质细胞免疫功能，而遗传AD风险变异APOE4削弱了这种功能。研究人员将继续扩展神经脂质图谱数据库，并邀请其他研究人员上传他们的数据，致力于详细理解脂质在大脑健康和疾病中的作用。
生物通微信公众号
生物通 版权所有
