星形胶质细胞与小胶质细胞昼夜节律翻译组图谱揭示阿尔茨海默病病理及衰老背景下细胞特异性重编程

《Nature Neuroscience》：A glial circadian gene expression atlas reveals cell-type and disease-specific reprogramming in response to amyloid pathology or aging

本研究通过TRAP-RNA-seq技术构建了星形胶质细胞与小胶质细胞的昼夜节律翻译组图谱，揭示了在Aβ斑块病理和衰老背景下，胶质细胞昼夜节律基因表达呈现高度细胞类型特异性及环境依赖性重编程。近半数AD风险基因呈现节律性振荡，小胶质细胞氧化应激和淀粉样蛋白吞噬功能存在昼夜差异，为理解神经退行性疾病中昼夜节律调控提供了新视角。

　　

当夜幕降临，我们的大脑细胞并未进入休眠状态，而是遵循着精确的昼夜节律进行着复杂的基因表达调控。这种24小时周期的生物钟机制不仅影响着我们的睡眠-觉醒周期，更与神经退行性疾病的发生发展密切相关。特别是在阿尔茨海默病（AD）中，患者常出现昼夜节律紊乱的症状，但人们对于不同脑细胞类型在衰老和神经退行性病理条件下昼夜基因表达模式的变化知之甚少。

为了解开这一谜题，研究人员开展了一项创新性研究。他们利用翻译核糖体亲和纯化（TRAP）和RiboTag方法，首次在健康小鼠皮层以及淀粉样蛋白β（Aβ）斑块病理或衰老背景下，高时间分辨率地解析了星形胶质细胞、小胶质细胞和整体皮层的细胞特异性昼夜"翻译组"。研究发现，胶质细胞的昼夜节律翻译组具有高度细胞类型特异性，并且在淀粉样斑块或衰老环境下会发生深刻而独特的重编程。

关键实验技术包括：使用Aldh1l1-RPL10aeGFP（Astro-TRAP）和Cx3cr1-CreERT2；LSL-Rpl22HA（mgRiboTag）转基因小鼠模型进行细胞特异性RNA分离；在恒定黑暗条件下以2小时间隔收集样本；通过RNA测序（RNA-seq）分析基因表达；采用RAIN（rhythmicity analysis incorporating nonparametric）方法鉴定节律性基因；利用KEGG通路富集分析功能通路；通过原代小胶质细胞培养评估活性氧（ROS）水平；使用甲氧基-X04（methoxy-X04）染色和流式细胞术分析体内淀粉样蛋白吞噬功能；结合ROSMAP队列的单核RNA-seq数据验证人类AD中的发现。

定义胶质细胞体内昼夜节律翻译组

研究人员建立了Astro-TRAP和mgRiboTag小鼠模型，通过在恒定黑暗条件下每2小时收集样本，成功分离出星形胶质细胞和小胶质细胞的特异性核糖体相关RNA进行转录组学分析。实验结果显示，星形胶质细胞特异性转录本富集了5-10倍，小胶质细胞特异性转录本富集了10-20倍，证明了该系统的可靠性。

淀粉样蛋白导致大脑皮层昼夜节律重编程

在分析WT和APP/PS1-21小鼠的皮层样本时，研究人员发现淀粉样病理显著重编程了昼夜节律转录组。WT组织中节律性的自噬和溶酶体基因在APP小鼠中失去节律性，而炎症转录本如Nfkbia和Ccl4等则获得了节律性。核心生物钟基因如Arntl（Bmal1）、Per2和Ciart在淀粉样病理背景下保持稳健。

星形胶质细胞对淀粉样蛋白的昼夜节律重编程

星形胶质细胞在APP/PS1小鼠中表现出独特的昼夜节律重编程模式。代谢通路和胰岛素信号通路在WT星形胶质细胞中具有节律性，而在APP星形胶质细胞中则失去节律性。相反，PI3K和TNF信号通路在APP组织中富集节律性。令人惊讶的是，多个AD相关转录本如Clu、Picalm和Chi3l1在APP小鼠中获得节律性。

小胶质细胞昼夜节律翻译组的解析

小胶质细胞表现出最为显著的昼夜节律转录组变化。在WT小胶质细胞中，527个节律性转录本在APP小鼠中减少至2267个，仅有1008个重叠。神经退行性疾病通路（包括帕金森病、AD和肌萎缩侧索硬化）在WT小胶质细胞中富集节律性转录本。值得注意的是，近半数AD全基因组关联分析（GWAS）风险基因在小胶质细胞中呈现节律性表达。

小胶质细胞活性氧的体外节律

研究人员发现活性氧（ROS）通路在WT小胶质细胞中富集节律性基因。通过同步化原代小胶质细胞培养实验，证实小胶质细胞ROS水平在CT24时显著高于CT12，表明小胶质细胞氧化应激存在昼夜节律变化。

小胶质细胞淀粉样蛋白吞噬的昼夜差异

研究发现小胶质细胞对淀粉样斑块的吞噬功能存在昼夜差异。在APPswe/PS1dE9小鼠中，ZT12（晚上6点）注射甲氧基-X04后，甲氧基-X04阳性小胶质细胞百分比显著高于ZT0（早上6点），证明小胶质细胞在傍晚具有更强的淀粉样斑块吞噬能力。

APP小鼠和人类AD中氧化磷酸化节律的破坏

氧化磷酸化（OXPHOS）通路在WT小鼠小胶质细胞中富集节律性基因，而在APP小鼠中此节律性消失。对人类ROSMAP队列的单核RNA-seq数据分析显示，在对照组参与者的小胶质细胞中，KEGG OXPHOS通路强烈富集节律性转录本，而在AD患者中这种富集消失，表明OXPHOS基因节律在物种间具有保守性。

衰老特异性重编程星形胶质细胞昼夜节律翻译组

衰老诱导了星形胶质细胞独特的昼夜节律重编程模式。在22月龄老年小鼠的星形胶质细胞中，吞噬作用、内吞作用和自噬等通路获得节律性，而年轻WT和APP/PS1小鼠中这些通路无节律性。自噬基因Atg10、Pdpk1、Ulk1和Mtor在老年星形胶质细胞中表达增加并获得节律性。

衰老削弱小胶质细胞昼夜节律基因表达

老年小胶质细胞也表现出昼夜节律重编程，但模式与淀粉样病理不同。核心生物钟基因Arntl、Nr1d1、Per2和Ciart的表达水平和振幅在老年小质细胞中显著减弱。内吞作用基因Rab5c和蛋白酶体亚基Psmd11在老年小胶质细胞中表达增加并获得节律性。

胶质细胞疾病特征依赖于时间点

研究还发现，小鼠采集的时间点显著影响差异表达基因（DEGs）的鉴定。在傍晚（PM）采集的样本中检测到的差异表达基因数量比早晨（AM）多20%，且许多重要基因仅在特定时间点显示差异表达。

这项研究构建了迄今为止最全面的胶质细胞昼夜节律翻译组图谱，揭示了昼夜节律基因表达具有高度细胞类型特异性和环境依赖性。在淀粉样斑块病理背景下，虽然核心生物钟保持稳健，但下游AD相关基因表达发生显著重编程；而在衰老过程中，小胶质细胞的核心节律振荡减弱，星形胶质细胞则获得新的节律性通路。这些发现不仅为理解神经退行性疾病中的昼夜节律调控机制提供了重要见解，还提示在未来的转录组学研究中必须考虑样本采集时间点的影响。该研究建立的公开网站资源将为研究昼夜节律在脑健康和疾病中的作用提供独特视角，并指导未来AD研究中的转录组学工作设计。