转录组分析鉴定SCF+G-CSF减轻老年APP/PS1小鼠神经病理的候选分子机制

《Frontiers in Aging Neuroscience》：Transcriptomic analysis identifies candidate molecular mechanisms underlying SCF+G-CSF-reduced neuropathology in aged APP/PS1 mice

　　

背景：阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）是一种神经退行性疾病，以淀粉样斑块沉积、tau过度磷酸化、神经炎症和认知下降为特征。研究人员既往研究显示，干细胞因子（stem cell factor, SCF）与粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor, G-CSF）联合治疗可减轻APP/PS1小鼠的AD病理。本研究旨在利用转录组分析（transcriptomic analysis）探索SCF+G-CSF作用的分子机制。
方法：老年APP/PS1小鼠连续12天每日接受SCF+G-CSF或溶媒皮下注射。第13天提取脑组织RNA进行基因芯片分析。年龄匹配的野生型（wild-type, WT）小鼠作为对照。数据使用TAC（Transcriptome Analysis Console）、STRING v12.0、Reactome和ShinyGO 0.77分析。共分析45,037个基因。在SCF+G-CSF治疗与溶媒治疗的APP/PS1小鼠之间，27个差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）达到≥2倍阈值；而在APP/PS1与WT小鼠之间，89个DEGs达到该阈值。
结果：SCF+G-CSF治疗上调免疫相关基因，包括S100a8、S100a9、Ngp、Lcn2、Ltf和Camp，这些基因与免疫调节和淀粉样相关过程有关。通路分析鉴定出IL-2、IL-4、IL-7和EGFR1信号下调以及IL-17信号富集，提示对先天性和适应性免疫应答的调节。SCF+G-CSF还下调若干具有已知致癌功能的基因，包括Cbl、Akap9、Kcnq1ot1和Snhg11，提示癌症与AD相关通路之间存在潜在分子重叠。此外，通路富集分析鉴定出经Rho GTPase信号介导的NADPH氧化酶（NADPH oxidase）激活，以及SCF+G-CSF治疗后金属离子隔离（metal ion sequestration）通路大于400倍富集。
结论：SCF+G-CSF治疗与广泛转录变化相关，涉及免疫调节、金属离子稳态以及具有已知致癌功能的基因。这些发现为SCF+G-CSF在老年APP/PS1小鼠中影响的分子通路提供了新见解，并鉴定了供未来研究的候选机制和治疗靶点。

阿尔茨海默病（AD）以淀粉样β蛋白（Aβ）斑块沉积、tau过度磷酸化、神经原纤维缠结（NFT）、先天免疫细胞激活、神经炎症和认知下降为特征。现有靶向经典病理的药物治疗在阻止疾病进展或取得一致临床获益方面仍有限。既往研究显示，干细胞因子（SCF）与粒细胞集落刺激因子（G-CSF）联合治疗可减轻中年和老年APP/PS1小鼠的Aβ负荷、神经炎症，并增强突触和树突再生，但其分子机制尚不完全清楚。因此，研究人员利用转录组分析探索SCF+G-CSF在老年APP/PS1小鼠中诱导的转录变化和生物通路，以提供机制线索和候选治疗靶点。

研究人员开展的研究为：使用17–18月龄雄性APP/PS1小鼠，随机分为SCF+G-CSF组和溶媒对照组，每组3只；年龄和性别匹配的C57BL/6J野生型（WT）小鼠2只作为对照。小鼠连续12天皮下注射SCF+G-CSF或等体积生理盐水，第13天取额叶脑组织RNA进行基因芯片分析。样本来源为The Jackson Laboratory的APP/PS1（stock# 34832）和C57BL/6J（stock# 000664）小鼠。主要技术方法为：基因芯片转录组分析，TAC进行差异表达分析，采用≥2倍变化阈值和p<0.05；STRING v12.0、Reactome、ShinyGO 0.77进行网络和通路富集分析；另用独立老年APP/PS1队列进行qRT-PCR验证S100a8和S100a9。研究人员还参考了已发表的脑CD11b⁺细胞scRNA-seq结果。上述技术方法概括不计具体试剂和操作步骤。

研究结果如下。

3.1 SCF+G-CSF治疗可能通过调节关键基因对抗AD相关转录变化：TAC分析显示45,037个基因中27个DEGs达到≥2倍阈值，其中19个下调、8个上调；ShinyGO提示编码基因差异表达显著，少数长链非编码RNA（lncRNA）改变，提示治疗优先调节编码基因并影响调节性非编码转录本。

3.2 SCF+G-CSF上调DEGs的功能和意义：上调基因包括S100a8、S100a9、Lcn2、Ngp、Ltf和Camp；qRT-PCR验证S100a8和S100a9上调；这些基因与免疫调节、髓系成熟、抗菌防御、金属螯合及Aβ相关免疫反应有关。

3.3 SCF+G-CSF下调DEGs的功能和意义：下调基因包括Gprin3、Kcnq1ot1、Akap9、Cbl和Snhg11；它们与树突重塑、癌症相关lncRNA、tau调控、泛素连接酶信号及Wnt/β-catenin等相关通路存在联系。

3.4 SCF+G-CSF诱导的六基因互作网络提示老年APP/PS1小鼠协调修复机制：STRING v12.0鉴定S100a8、S100a9、Lcn2、Ngp、Ltf和Camp构成互作网络，S100a8与S100a9共表达相关系数为0.999；该网络与免疫系统和脾相关生物学过程有关，提示中枢与外周免疫区室可能协调响应。

3.5 SCF+G-CSF诱导的IL-17信号通路富集提示老年APP/PS1小鼠免疫调节机制：ShinyGO发现IL-17信号富集29.1倍，S100a8、S100a9和Lcn2参与其中；研究人员提出IL-17可能协调这些基因表达，促进免疫细胞募集和Aβ识别清除，但直接调控关系尚未证实。

3.6 SCF+G-CSF下调EGFR1、白介素信号和MMP16：Cbl和Stam2下调，IL-2、IL-4、IL-7和EGFR1信号下调，基质金属蛋白酶16（MMP16）通路下调；提示治疗可能减弱EGFR相关信号、调节细胞因子网络并保护细胞外基质（ECM）完整性。

3.7 金属隔离和免疫调节可能促进SCF+G-CSF治疗后AD神经病理减轻：通路分析发现金属隔离通路大于400倍富集，S100a8、S100a9、Ltf和Lcn2参与；Rho GTPase相关NADPH氧化酶等通路富集，提示可能减少金属离子相关氧化应激、神经炎症和蛋白聚集。

3.8 SCF+G-CSF可能抵消老年APP/PS1小鼠广泛转录失调：与WT相比，老年APP/PS1小鼠有89个DEGs，其中85个上调、4个下调；SCF+G-CSF治疗后超过70%的治疗相关DEGs下调，提示治疗可能部分恢复AD进展中被扰乱的转录控制。

3.9 转录分析揭示老年APP/PS1小鼠先天免疫通路和微胶质激活相关基因上调：与WT相比，APP/PS1小鼠富集巨噬细胞标志、骨髓来源巨噬细胞/树突细胞、微胶质、补体激活、吞噬和趋化因子信号；TYROBP因果微胶质网络包含Tyrobp、C1qc、Capg、Spp1、Plek、Cd84和Itgax等上调基因；SCF+G-CSF后Tyrobp未显著差异，提示可能减少过度代偿性微胶质激活。

3.10 老年APP/PS1小鼠前5个上调DEGs的功能和意义：Cst7上调31.73倍，Clec7a上调11.67倍，Itgax上调8.40倍，Ccl3上调7.39倍，Ccl6上调6.17倍；这些基因与胱抑素F、Dectin-1、CD11c、趋化因子介导免疫信号有关；SCF+G-CSF后Itgax未上调，支持治疗调节微胶质激活标志。

3.11 老年APP/PS1小鼠下调DEGs的功能和意义：Doc2g下调3.56倍，Th下调3.47倍，Tmem158下调2.07倍；分别与突触囊泡胞吐、多巴胺合成及肿瘤相关生存信号有关，提示AD中存在突触、单胺能及生长生存信号异常。

3.12 额外功能分析揭示糖胺聚糖降解、免疫失调和疾病相关通路：ShinyGO显示糖胺聚糖（GAG）降解近20倍富集，补体级联近15倍富集，并与血液/骨病及感染/炎症过程相关；SCF+G-CSF治疗组则上调抗菌防御和免疫调节基因，提示老年脑仍存在内源性对抗病理的反应，治疗可能增强修复反应。

讨论部分总结：该研究整合TAC、STRING v12.0、ShinyGO 0.77和Reactome分析，比较SCF+G-CSF治疗、溶媒对照和WT小鼠，提示SCF+G-CSF在老年APP/PS1小鼠中诱导广泛转录变化，主要涉及免疫调节、金属离子稳态和癌症相关基因重叠。研究局限包括样本量小、仅使用雄性小鼠、bulk脑RNA无法直接确定细胞来源、仅分析额叶单一脑区。已发表scRNA-seq提示SCF+G-CSF增加脑CD45^high/CD11b⁺吞噬细胞，并在CD11b⁺细胞簇中上调S100a8和S100a9；qRT-PCR验证了S100a8和S100a9。研究人员提出，SCF+G-CSF可能促进金属离子隔离、免疫调节、微胶质激活、吞噬活性和淀粉样蛋白定位，传统上广泛抑制神经炎症的策略可能需要进一步修正。

结论翻译：SCF+G-CSF治疗与广泛转录变化相关，涉及免疫调节、金属离子稳态以及具有已知致癌功能的基因。这些发现为SCF+G-CSF在老年APP/PS1小鼠中影响的分子通路提供了新见解，并鉴定了供未来研究的候选机制和治疗靶点。