阿尔茨海默病发病过程中胆碱能Meynert基底核神经元tau寡聚体携带者的基因表达谱分析揭示细胞应激与突触失衡机制

《Acta Neuropathologica Communications》：Neuronal gene profiling of tau oligomer-bearing cholinergic nucleus basalis neurons during the onset of Alzheimer’s disease

本研究针对阿尔茨海默病（AD）中tau寡聚体（TOC1）导致胆碱能神经元选择性易损的分子机制不明确的问题，利用单神经元激光捕获显微切割与定制微阵列技术，对比分析了无认知障碍（NCI）、轻度认知障碍（MCI）和AD患者Meynert基底核（nbM）中p75NTR+/TOC1+与p75NTR+/TOC1-胆碱能神经元的基因表达差异。研究发现TOC1+神经元中140个差异表达基因（DEGs）涉及突触功能下调与细胞应激通路上调，表明tau寡聚体形成与线粒体代谢紊乱和氧化还原功能失调导致的生物能量衰竭相关，为疾病修饰治疗提供了新靶点。

　　

在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的研究领域中，tau蛋白的异常聚集一直被认为是驱动神经退行性变的关键因素之一。传统的观点聚焦于神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs）的形成，但近年来的证据表明，可溶性的tau寡聚体 assemblies 可能更具神经毒性，它们不仅出现在疾病晚期，甚至在认知功能尚未出现明显损害的早期阶段就已经存在。这些寡聚体如何选择性地攻击特定类型的神经元，尤其是基底前脑的胆碱能神经元，仍然是一个未解之谜。这些位于Meynert基底核（nucleus basalis of Meynert, nbM）的神经元负责向大脑皮层广泛投射胆碱能纤维，它们的退化与AD患者的认知衰退密切相关。

为了解决这一难题，Kara等人开展了一项精细的研究，他们利用先进的单细胞技术，精准地分离了携带tau寡聚体（标记为TOC1⁺）和不携带寡聚体（TOC1^-）的胆碱能神经元，这些样本来源于经过严格临床和神经病理学评估的死者大脑，包括无认知障碍（no cognitive impairment, NCI）、轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）和轻度至中度AD患者。通过定制化的微阵列芯片，研究团队分析了864个与神经生物学和神经退行性疾病相关的基因的表达情况，并采用了加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）来挖掘更深层次的分子网络变化。这项研究不仅揭示了tau寡聚体相关的特定基因签名，还指出了突触功能障碍和细胞应激反应在疾病早期就可能被触发，为理解AD的发病机制和开发早期干预策略提供了重要线索。该研究成果发表在《Acta Neuropathologica Communications》上。

研究的关键技术方法包括：从Rush Religious Orders Study（RROS）队列中获得经临床诊断的NCI、MCI和AD患者的死后脑组织；采用双标记免疫组化技术识别p75^NTR+（胆碱能神经元标记）和TOC1⁺（tau寡聚体标记）的神经元；使用激光捕获显微切割（laser capture microdissection, LCM）技术分离单个神经元；通过终端延续（terminal continuation, TC）RNA扩增和定制微阵列进行基因表达分析；利用STRING数据库进行互作组和功能富集分析；应用WGCNA识别共表达模块。

研究结果方面，首先，病例 demographics 和临床神经病理学特征显示，NCI、MCI和AD组在年龄、性别、教育年限、最后认知测试到死亡的间隔时间及死后间隔时间（postmortem interval, PMI）上无显著差异，但AD组中携带APOE ε4等位基因的比例更高。AD组的迷你精神状态检查（Mini-Mental State Exam, MMSE）和全局认知评分（global cognitive score, GCS）显著低于NCI和MCI组。Braak分期、CERAD和NIA-Reagan评分在各组间无差异，表明NCI个体中可能存在对AD病理的韧性。

其次，tau寡聚体改变胆碱能nbM神经元基因表达且与生前临床状态无关：通过以临床诊断为协变量，鉴定出140个在TOC1⁺神经元中差异表达的基因（DEGs），其中82个下调，58个上调。下调基因与突触前和突触后功能相关，并富集于谷氨酸和乙酰胆碱信号通路；而上调基因与细胞应激反应和凋亡相关，与线粒体代谢和氧化还原功能下调的DEGs聚类，提示生物能量衰竭。

第三，STRING互作组和功能富集分析揭示了DEGs中的两个主要通路：一个与突触信号传导和可塑性调节相关，另一个与细胞应激和凋亡相关，特别是线粒体功能紊乱和氧化应激。

第四，WGCNA揭示与tau寡聚体病理相关的特定网络：在18个共表达模块中，黄色模块与TOC1负相关，红色模块与TOC1正相关。黄色模块基因富集于突触传递和神经递质受体活性，而红色模块基因与缺氧反应和丝氨酸/苏氨酸磷酸化相关。

研究结论与讨论部分强调，该研究以单细胞分辨率揭示了在AD谱系中，易损的胆碱能nbM神经元内tau寡聚体的形成与多类基因的失调相关，这些基因驱动细胞/线粒体应激和突触失衡。这些变化甚至在MCI之前就已经出现，表明它们可能是AD早期的关键分子事件。下调的基因主要涉及突触功能，如神经递质受体（如谷氨酸受体GRIA2、GRIN2B）、突触小泡蛋白（如SYP、SNAP25）和神经营养因子信号（如NTRK2/TrkB），而上调的基因则与细胞应激（如HSPD1/HSP60）、凋亡（如CASP3）和蛋白降解通路相关。特别值得注意的是，线粒体功能相关基因（如NRF1、CYCS、SOD1）的下调表明生物能量衰竭可能在tau寡聚体介导的毒性中扮演核心角色。这些发现支持了“线粒体级联假说”，即线粒体功能障碍与tau病理形成恶性循环，最终导致神经元死亡。此外，WGCNA分析进一步确认了与TOC1负相关的模块富集于突触功能，而与TOC1正相关的模块富集于应激反应，提供了更深层次的网络视角。这些分子变化为开发针对tau寡聚体的疾病修饰疗法提供了潜在靶点，例如增强线粒体功能或抑制应激通路的策略。尽管研究存在一些局限性，如人类组织材料的不可操纵性和RNA降解的潜在影响，但通过精心设计的实验和生物信息学分析，该研究为理解AD中神经元选择性易损性的机制提供了宝贵见解，并强调了在疾病最早阶段进行干预的重要性。