TDP-43功能异常破坏ALS/FTD中胶质细胞稳态身份及其细胞类型特异性病理状态

《Brain Research》：TDP-43 dysfunction destabilizes glial homeostatic identity in ALS/FTD

　　

肌萎缩侧索硬化（ALS）与额颞叶痴呆（FTD）因共享遗传、分子及病理特征而构成同一疾病谱系。TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）是ALS与FTD中泛素阳性包涵体的主要成分，在97%的ALS病例与45%的FTD病例中可见TDP-43病理改变。TDP-43在细胞核与细胞质之间穿梭，结合富含UG的RNA序列，参与选择性剪接、RNA转运、稳定性及翻译等RNA调控过程，并具有抑制非保守外显子异常掺入的关键功能。在ALS/FTD中，TDP-43从细胞核错误定位至细胞质并形成不可溶、过度磷酸化的聚集体，导致核功能丧失与细胞质毒性获得，前者破坏RNA加工并引起隐匿外显子（cryptic exon）掺入等广泛剪接缺陷，后者螯合RNA及其他RNA结合蛋白，进一步损害RNA与蛋白稳态。既往研究主要聚焦神经元，但越来越多证据表明TDP-43病理同样存在于星形胶质细胞、小胶质细胞与少突胶质细胞中，非神经元细胞功能障碍已被视为神经元易损性与疾病进展的重要驱动因素，凸显ALS/FTD发病的非细胞自主性。胶质细胞是中枢神经系统稳态的关键调控者，参与神经元信号、突触调控、代谢与免疫监视。基于SOD1突变模型的早期共培养研究确立了ALS的非细胞自主性，而TDP-43病理覆盖绝大多数ALS亚型，提示TDP-43功能异常可能同样破坏胶质细胞维持神经元健康所需的支持与调控功能。单核多组学分析显示，C9orf72 ALS/FTD皮层中小胶质细胞、星形胶质细胞与少突胶质细胞存在细胞类型与疾病阶段依赖的分子改变，并与pTDP-43负荷增加相关。新兴研究提示TDP-43功能异常破坏胶质细胞核心稳态程序，驱动其向以炎症激活、代谢与突触支持受损、吞噬功能失调及细胞间信号改变为特征的疾病相关状态转变。本综述讨论TDP-43功能异常如何破坏胶质细胞稳态并在星形胶质细胞、小胶质细胞与少突胶质细胞中促进细胞类型特异性病理状态，进一步探讨这些胶质状态转变如何超越传统以神经元为中心的ALS/FTD框架而促进神经退行性变。

研究背景方面，肌萎缩侧索硬化（ALS）与额颞叶痴呆（FTD）因共享遗传、分子与病理特征而构成连续疾病谱系，二者最具统摄性的共同特征是TAR DNA结合蛋白43（TDP-43）病理性包涵体，97%的ALS病例与45%的FTD病例存在TDP-43病理改变，且该病理亦见于阿尔茨海默病（AD）、以边缘系统为主的老化相关TDP-43脑病（LATE）及路易体痴呆等。TDP-43为普遍表达的RNA-DNA结合蛋白，在核质间穿梭，结合富含UG的RNA序列，参与选择性剪接、RNA转运、稳定性与翻译，并具有抑制非保守外显子掺入以保障转录本完整性的关键功能。疾病中TDP-43自细胞核错误定位至细胞质并形成不可溶、过度磷酸化聚集体，造成核功能丧失与细胞质毒性获得：核内耗竭破坏RNA加工并致隐匿外显子掺入等剪接缺陷，细胞质聚集体螯合RNA及其他RNA结合蛋白，进一步损害RNA与蛋白稳态。既往研究以神经元为中心，但TDP-43病理同样见于星形胶质细胞、小胶质细胞与少突胶质细胞，非神经元细胞功能障碍被视为神经元易损性与疾病进展的重要驱动因素，凸显ALS/FTD的非细胞自主性。胶质细胞是中枢神经系统稳态的核心调控者，参与神经元信号、突触调控、代谢与免疫监视。基于SOD1突变模型的早期共培养研究确立了ALS的非细胞自主性，而TDP-43病理覆盖绝大多数ALS亚型，是连接家族性与散发性机制的中央分子纽带，故有必要系统梳理TDP-43功能异常对各类胶质细胞稳态的影响。研究人员围绕星形胶质细胞、小胶质细胞与少突胶质细胞，整合转基因组学、条件性基因敲除、患者来源诱导多能干细胞（iPSC）模型、单核RNA测序及人脑组织病理分析等证据，提出TDP-43功能异常破坏胶质细胞稳态身份、驱动细胞类型特异性疾病相关状态的核心论点，并指出这些状态转变构成超越神经元中心框架的神经退行性变机制。其重要意义在于将TDP-43蛋白病重新概念化为谱系特异性胶质稳态身份的崩解，为理解ALS/FTD非细胞自主性发病机制及跨胶质细胞治疗策略提供整合框架。研究方法上，本综述综合分析的主要关键技术方法包括：可诱导转基因大鼠与小鼠模型（如TDP-43^M337V、TDP-43^A315T、TDP-43^Q331K及ΔNLS-TDP-43、rNLS8模型）；条件性Tardbp敲除与敲低（siRNA、shRNA）；患者来源iPSC分化的星形胶质细胞、少突胶质细胞及单核细胞来源的小胶质样细胞；死后人ALS/FTD脊髓与运动皮层组织（含散发性ALS脊髓提取物诱导的种子聚集模型）；单核RNA测序与单核多组学分析；以及非人灵长类与斑马鱼模型。研究结果方面，在星形胶质细胞中，TDP-43^M337V转基因大鼠谷氨酸转运体GLAST（人同源物EAAT1）与GLT-1（人同源物EAAT2）下调致谷氨酸清除受损，并伴GFAP与Lcn2、Chi3L1升高；患者iPSC来源M337V星形胶质细胞出现细胞质错误定位与存活下降，但未在共培养中降低运动神经元存活，提示内源性突变可致细胞自主病理而不必然引发非细胞自主毒性；TDP-43^A315T小鼠及TARDBP A90V患者iPSC星形胶质细胞多聚磷酸（polyP）升高并降低运动神经元存活。炎症与抗病毒样状态方面，星形胶质细胞Tardbp条件性敲除诱导C3与主要组织相容性复合体I类基因等炎症基因表达并上调邻近小胶质细胞C1q；PTP1B抑制可减少IL-1β、IL-6、TNF-α分泌；ΔNLS-TDP-43表达激活双链RNA（dsRNA）感知与干扰素通路并分泌CXCL9/10/11损害突触功能；TDP-43敲低致内源性dsRNA蓄积并激活蛋白激酶R（PKR）；rNLS8模型星形胶质细胞呈最强I型干扰素反应特征，可能与cGAS-STING通路激活相关。代谢方面，表达TDP-43^208-414片段的原代大鼠星形胶质细胞cAMP与钙信号降低、ADRB2表达下降，伴糖酵解增强、脂滴蓄积与MCT1降低；TDP-43^A315T星形胶质细胞虽ATP产生与线粒体活性增加但谷氨酸摄取受损，提示适应性不良的代谢重编程。病理与网络调控方面，M337V iPSC星形胶质细胞呈可溶性TDP-43增加而不形成大的不可溶聚集体，TDP-43^A315T星形胶质细胞形成聚集体但死亡不明显；种子聚集模型中星形胶质细胞较小胶质细胞更耐受并能减轻邻近运动神经元毒性；星形胶质细胞TDP-43缺失降低成熟少突胶质细胞存活，与少突胶质细胞联合缺失致广泛胶质激活与轴突脱髓鞘。在小胶质细胞中，细胞外TDP-43片段经CD14受体激活NF-κB与AP-1，上调NOX2、TNF-α、IL-1β并诱导NLRP3炎症小体，且神经元损伤依赖活化小胶质细胞；BV-2细胞中TDP-43过表达协同LPS增强NF-κB依赖的细胞因子表达；NLS突变TDP-43在BV-2及小鼠模型中经解除Ripk3抑制促进RIPK3依赖性坏死性凋亡、神经炎症与吞噬受损。吞噬调控方面，小胶质细胞特异性Tardbp缺失增强吞噬与淀粉样蛋白清除但伴过度突触丢失及溶酶体功能增强；人单核细胞来源小胶质样细胞TARDBP敲低抑制胆固醇合成、促进脂滴蓄积并增强吞噬与IL-1β产生；小胶质细胞特异性Tardbp敲除经Tyrobp隐匿外显子掺入致截短DAP12与TREM2信号缺陷，损害髓鞘吞噬与降解。保护性清除方面，rNLS8模型恢复期小胶质细胞形态与转录重塑并选择性清除神经元人TDP-43聚集体，早期耗竭小胶质细胞损害运动恢复。阶段依赖性重塑方面，人ALS运动皮层Iba1与CD68升高且CD68与磷酸化TDP-43病理程度相关，小胶质细胞自分枝向肥大变形态转变先于CD68大幅升高；纵向RNA测序显示恢复相关小胶质细胞富集Apoe、Axl、Lpl、Spp1等基因。患者来源证据方面，散发性ALS患者单核细胞来源小胶质样细胞呈非磷酸化与磷酸化TDP-43细胞质蓄积、DNA损伤、NLRP3炎症小体活性与吞噬受损，快速进展病例吞噬功能细胞间变异尤为显著。在少突胶质细胞中，人散发性ALS脊髓组织少突胶质细胞可见TDP-43阳性包涵体，含TDP-43与p62包涵体者髓鞘相关蛋白表达降低而细胞数无明显减少；磷酸化TDP-43包涵体可见于缺乏神经元病理的区域且不沿轴突投射路径分布，提示少突胶质细胞病理可独立或先于神经元病理出现。谱系阶段易损性方面，少突胶质细胞特异性Tardbp缺失致进行性神经功能缺陷、广泛髓鞘丢失、髓鞘相关基因表达降低与早期死亡，伴成熟少突胶质细胞变性及RIPK1介导坏死性凋亡证据，但不引起明显运动神经元变性；阶段特异性缺失显示少突胶质前体细胞（OPC）高度依赖TDP-43存活，早期OPC缺失致前体快速丢失后由保留TDP-43的细胞再生，早期成熟阶段缺失致变性、癫痫与早亡，成熟髓鞘化少突胶质细胞缺失则存活较长但形态异常、髓鞘变少变薄；转录组分析显示广泛错误剪接，包括少突胶质细胞成熟、细胞骨架组织与髓鞘化相关基因的隐匿外显子掺入。TDP-43^Q331K小鼠显示OPC增殖分化增加而成熟少突胶质细胞密度未相应增加，伴少突胶质细胞凋亡增加与髓鞘结构异常。剂量敏感性方面，少突胶质细胞过表达TDP-43^M337V致髓鞘异常、运动障碍、凋亡、胶质激活及成熟髓鞘化与胆固醇代谢基因下调；过表达野生型TDP-43致进行性脱髓鞘、损伤与脊髓神经炎症；非人灵长类少突胶质细胞限制性表达细胞质TDP-35致胼胝体脱髓鞘并通过与MyRF相互作用干扰髓鞘基因表达。RNA加工与脂代谢方面，TDP-43直接结合SREBF2、HMGCR、HMGCS1与LDLR转录本，其耗竭降低胆固醇水平并损害髓鞘维持，恢复胆固醇代谢可部分挽救脱髓鞘；人ALS组织中少突胶质细胞TDP-43包涵体伴髓鞘碱性蛋白不成比例降低，提示局部mRNA转运或翻译受损。模型依赖性易损性方面，携带内源性TARDBP G298S与M337V突变的患者iPSC少突胶质细胞呈突变特异性表型，包括α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异噁唑丙酸（AMPA）受体钙通透性改变；人源化斑马鱼少突胶质细胞表达细胞质错误定位人TDP-43致轴突病与髓鞘化减少，而阻止少突胶质细胞分化与髓鞘化加剧神经元TDP-43功能异常所致轴突变性，提示健康少突胶质细胞可部分缓冲神经元病理。在细胞类型特异性隐匿剪接方面，TDP-43核心核功能为抑制非保守隐匿外显子，其缺失可经引入提前终止密码子、促进无义介导衰变等降低相应蛋白表达；在Cnp-Cre驱动的髓鞘化胶质细胞条件性Tardbp敲除小鼠中，施万细胞TDP-43耗竭致Nfasc隐匿外显子掺入、转录本无义介导衰变、胶质Neurofascin丢失与神经传导受损；中枢少突胶质细胞TDP-43缺失致Ermn隐匿外显子掺入而降低Ermin表达；诱导性Cx3cr1-CreERT2小鼠小胶质细胞Tardbp缺失致Tyrobp隐匿外显子掺入、DAP12功能降低与TREM2信号破坏；星形胶质细胞中TDP-43依赖性隐匿剪接的后果尚不明确，构成重要空白。讨论部分指出，该领域主要局限在于依赖可能无法完全再现人TDP-43蛋白病复杂性、慢性与细胞背景的模型系统；“TDP-43功能异常”涵盖多种实验与机制上不同的扰动，不应视为等同的疾病状态：过表达野生型或ALS相关突变TDP-43主要探究剂量改变与细胞质毒性获得，条件性Tardbp缺失或敲低更直接模拟核功能丧失，ΔNLS或C端构建体优先驱动细胞质错误定位或聚集，患者来源iPSC模型保留内源性剂量下的疾病相关突变，种子聚集模型模拟散发性蛋白病而不改变TDP-43表达，上述方法可产生不同甚至矛盾的胶质表型，如部分突变过表达模型可见非细胞自主运动神经元毒性而患者来源M337V星形胶质细胞未见。体内与体外、啮齿类与人类模型、急性扰动与慢性人类疾病之间的差异亦增加表型变异性；现有证据提示胶质TDP-43表型反映核功能丧失、细胞质毒性获得、蛋白剂量、突变特异性效应、疾病阶段与细胞背景的不同贡献，但RNA稳态破坏、炎症信号、代谢调控、吞噬或分泌功能及谱系特异性支持程序的维持等通路在多模型中反复汇聚。研究人员强调需持续回归人组织与人组学数据以判定代谢重编程、脂质失调、溶酶体功能障碍、细胞骨架重塑、先天免疫激活、RNA加工改变与胶质状态转变等特征是否在疾病中一致呈现，整合机制模型与人组织神经病理及分子观察以区分实验诱导表型与真正相关于ALS/FTD发病的表型。结论部分译为：TDP-43功能异常是所有主要胶质细胞类型中的失稳事件，破坏维持稳态身份的调控网络；尽管这些状态的具体特征在星形胶质细胞、小胶质细胞与少突胶质细胞间存在差异，稳态失败却广泛共享，为理解TDP-43蛋白病如何超越神经元中心视角促进神经退行性变提供了重要框架。星形胶质细胞主要表现神经递质、代谢与分泌支持失败；小胶质细胞表现炎症、吞噬、溶酶体与保护性程序间失调的状态可塑性；少突胶质细胞表现髓鞘、脂质、RNA转运、谱系维持与轴突支持功能的崩溃。这些差异表明胶质TDP-43功能异常不应被简化为单一反应性类别，而应理解为维持神经环境所需的谱系特异性稳态身份的崩解。TDP-43功能异常的后果不仅取决于分子缺陷本身，还取决于其发生的细胞类型、疾病阶段、周围细胞环境、上游遗传背景与病理状态持续时间；理解TDP-43功能异常如何启动与维持这些胶质状态转变，对于确定如何在ALS与FTD中跨神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞与少突胶质细胞恢复神经网络稳态至关重要，整合TDP-43功能异常多组分的跨胶质框架最终可能提供仅靠神经元聚焦研究无法捕捉的更完整TDP-43蛋白病模型。