CHCHD10通过关联直接重编程神经元中的表观遗传重塑缓解阿尔茨海默病相关表型

《Advanced Science》：CHCHD10 Mitigates Alzheimer's Disease-Related Phenotypes in Association With Epigenetic Remodeling in Directly Reprogrammed Neurons

　　

线粒体功能障碍和染色质失调是阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）中神经元易感性的相互关联的促成因素，但连接这两种过程的分子机制仍不清楚。CHCHD10是一种线粒体膜间隙蛋白，与神经退行性疾病有关，但其在AD中的作用尚未明确。本研究确定CHCHD10是AD中此前未被认识的神经元表观基因组稳定性调节因子。研究人员利用直接成纤维细胞向神经元重编程（可保留患者特异性表观遗传特征）发现，AD神经元重现了死后AD皮层观察到的全基因组低甲基化模式。CHCHD10表达在AD神经元及多个人脑数据集（包括单细胞及批量RNA测序、蛋白质组学及人脑皮层组织分析）中均显著降低。在AD神经元中恢复CHCHD10可减少β-淀粉样蛋白（Amyloid-β, Aβ）和不溶性Tau蛋白积聚，同时逆转CpG岛、启动子及调控元件上AD相关的差异甲基化区域（Differentially Methylated Regions, DMRs）。CHCHD10应答的甲基化变化与人AD脑区观察到的变化重叠，并与显著的AD位点及皮层特异性表达数量性状位点（expression Quantitative Trait Loci, eQTL）共定位，包括MAPT和ABCA7。最后，研究人员确定KATNAL2是CHCHD10应答效应因子，其缺失增强Tau磷酸化和种子活性，而其恢复可减轻Tau病理。综上，这些发现支持一条CHCHD10关联的神经保护通路，将AD中线粒体功能障碍、表观基因组不稳定和Tau病理联系起来。

论文解读：CHCHD10通过关联直接重编程神经元中的表观遗传重塑缓解阿尔茨海默病相关表型

本研究发表于《Advanced Science》。阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）以细胞外β-淀粉样蛋白（Amyloid-β, Aβ）沉积、细胞内Tau神经原纤维缠结、突触退化和神经元丢失为特征。既往研究表明线粒体功能障碍、全基因组表观基因组紊乱是AD神经元易感性的重要驱动因素，且线粒体-核信号可影响染色质状态和转录稳态，但耦合线粒体应激与表观遗传重塑的具体通路不明。CHCHD10（Coiled-Coil-Helix-Coiled-Coil-Helix Domain Containing 10）是定位于线粒体膜间隙、维持嵴结构和氧化磷酸化的蛋白，突变可致额颞叶痴呆（Frontotemporal Dementia, FTD）和肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS），但其在散发性AD中的功能及与表观遗传的关系未知。鉴于AD脑难以模拟年龄相关表观模式，研究人员采用microRNA-9/9*-124介导的人成纤维细胞直接重编程为神经元（Direct Reprogrammed Neurons, iNs），该模型能保留供体特异性表观遗传特征，以此探讨CHCHD10在AD表观基因组调控及病理中的作用。

主要关键技术方法：

研究人员收集4例AD及4例正常对照（Normal Control, NC）人皮肤成纤维细胞系（Coriell细胞库），经microRNA-9/9*-124重编程为iNs；AD-iNs于分化第21天腺病毒转导CHCHD10过表达，第28天收样。对三组（NC-iNs、AD-iNs、AD+CHCHD10-iNs）进行全基因组亚硫酸氢盐测序（Whole-Genome Bisulfite Sequencing, WGBS）分析DNA甲基化，并行ELISA及免疫印迹检测Aβ与Tau；整合人脑死后皮层（颞中回MTG、前额叶皮层PFC）已发表DMR数据集验证模型；利用ROSMAP单细胞RNA测序（single-cell RNA-seq, scRNA-seq）及Mayo批量RNA-seq、AD蛋白组学Meta分析评估CHCHD10在人AD脑的表达；通过免疫沉淀-质谱鉴定CHCHD10互作蛋白并用邻近连接实验（Proximity Ligation Assay, PLA）验证；筛选CHCHD10响应DMR关联基因KATNAL2，在M17-APP细胞、HeLa-V5/TauRD细胞及AD-iNs中进行KATNAL2敲减/过表达的功能挽救实验；整合AD GWAS SNPs与MetaBrain皮层cis-eQTL做基因座水平共定位（colocalization）分析。

研究结果

2.1 CHCHD10 Expression Is Reduced in AD and Correlates With Neuropathology

整合人皮层scRNA-seq（292例NC、135例AD）及颞叶皮层批量RNA-seq显示CHCHD10 mRNA在AD兴奋性（L5–L6 RORB富集）和抑制性神经元中显著下调；AD脑蛋白质组Meta分析及人皮层组织免疫印迹、免疫荧光证实CHCHD10蛋白水平降低。ROSMAP scRNA-seq回归分析示CHCHD10表达与Braak分期负相关（兴奋/抑制神经元p=0.0060/0.027），与死亡年龄负相关（AD组更显著），确认CHCHD10降低是AD重现性分子特征且与Tau病理及年龄相关神经元易感性关联。

2.2 Restoring CHCHD10 in Reprogrammed AD Neurons Reduces Aβ and Tau Pathology

AD-iNs较NC-iNs产生更多Aβ及不溶性Tau，内源性CHCHD10蛋白低；过表达CHCHD10使不溶性Tau降至接近NC水平，可溶性Tau略降，Aβ减少。在稳定过表达APP的M17神经母细胞瘤中，CHCHD10过表达降低Aβ与不溶性Tau及pTau231，敲低则反之。表明CHCHD10下调参与AD神经元表型，恢复CHCHD10可减轻Aβ与Tau病理。

2.3 CHCHD10 Overexpression Reverses AD-Associated DNA Methylation Abnormalities

WGBS显示AD-iNs vs NC-iNs的差异甲基化区域（DMRs）与死后AD脑MTG、PFC的DMRs显著重叠（p=3.789×10^?4、p=0.01002），证明iNs保留体内AD甲基化特征。AD+CHCHD10 vs AD的DMR关联基因与PFC脑DMR基因有弱但显著重叠（Fisher's p=0.037），提示CHCHD10过表达改变部分重合于原生AD脑甲基化模式的位点。

2.4 CHCHD10 Overexpression Reverses Disease-Associated Methylation Alterations

AD vs NC的全基因组DMR平均甲基化差异为?9.066%（低甲基化），AD+CHCHD10 vs AD为+4.137%（向高甲基化逆转），CpG岛与启动子区同理（AD vs NC分别?7.423%、?9.785%；AD+CHCHD10 vs AD分别+4.531%、+3.966%），统计学极显著（p<10^?14~10^?5）。AD vs NC中84.77%显著DMR为低甲基化，AD+CHCHD10 vs AD中69.84%显著DMR为高甲基化，即CHCHD10过表达系统性逆转AD相关低甲基化趋势向NC模式。免疫荧光示CHCHD10部分定位于细胞核；APP/PS1;CHCHD10小鼠脑IP-质谱及PLA发现CHCHD10与OGT（O-linked N-acetylglucosamine Transferase）互作，提示可能通过OGT关联表观调控。

2.5 Enrichment of AD-Associated Pathways and Phenotypes in CHCHD10-Mediated DMRs

AD+CHCHD10 DMR邻近基因GO分子功能富集62条通路（ATP酶、泛素依赖蛋白酶解、snRNA结合等），与AD vs NC重叠6条（泛素依赖蛋白水解、半胱氨酸型肽酶活性），HPO表型富集"异常神经系统形态""胶质增生"等，说明CHCHD10响应甲基化靶基因涉及突触、细胞骨架及神经炎症通路。

2.6 Co-Methylation Network Analysis Identifies Regulatory Modules Affected by CHCHD10

共甲基化网络识别出8个模块，枢纽基因为LSP1P4、NUDT2、KIF24、SNU13（剪接体相关），提示CHCHD10协调RNA加工及微管相关基因的表观共调控。

2.7 Regionality of AD-Associated Methylation Reversals with CHCHD10 Expression

染色体图谱及位点分析显示CHCHD10依赖的甲基化重塑跨广泛基因组域，优先涉及 neurodegeneration 相关基因如KATNAL2、NBPF1、MAPT及USP17L家族，其中KATNAL2内含子含CpG及CTCF关联顺式调控元件（cis-Regulatory Elements, cCREs），AD中低甲基化、CHCHD10过表达后部分恢复。

2.8 CHCHD10-Mediated DMRs Overlap With AD Genetic Risk Architecture

CHCHD10响应DMR与AD GWAS显著SNP（p<5×10^?8）存在染色体共定位；MAPT位点eQTL与DMR强共定位（P–P plot r=0.318, p=5.46×10^?57），ABCA7位点Fisher精确检验p=2.02×10^?24，KANSL1、TAOK2等亦具不同程度共定位。EUR人群DMR甲基化差异与eQTL MetaBeta呈显著负相关（p=0.0082），EAS人群亦显著（p=1.4×10^?5），AFR无，提示群体特异性调控效应。

2.9 KATNAL2 Is Identified as a Functional Mediator of Tau Pathology

KATNAL2在AD人脑皮层及scRNA-seq兴奋性神经元/星形胶质细胞中表达降低，其蛋白随CHCHD10过表达上调、敲低下调，且KATNAL2基因座含AD低甲基化/DMR被CHCHD10逆转的cCRE。功能上，siRNA敲低KATNAL2增加不溶性pTau231、总Tau及Tau种子活性；过表达KATNAL2降低之；CHCHD10过表达可挽救KATNAL2敲低诱导的Tau病理，但KATNAL2过表达不能挽救CHCHD10敲低诱导的Tau累积——表明KATNAL2是CHCHD10下游效应因子之一而非唯一介质。

讨论与结论翻译

线粒体功能障碍与表观基因组广泛改变均为AD神经元易感性驱动因素，但其偶联机制不清。本研究发现CHCHD10是AD神经元表观基因组此前未被认识的调节因子：多独立人脑数据集一致显示AD中CHCHD10表达降低且与Braak分期及年龄负相关；在AD直接重编程神经元中恢复CHCHD10可减轻Aβ与不溶性Tau积累，并广泛逆转AD相关DNA低甲基化（CpG岛、启动子及调控元件），使其趋近NC模式。CHCHD10部分入核并与OGT互作，提示其可能参与OGT关联的表观调控通路。CHCHD10响应DMR富集AD相关通路并共定位AD GWAS风险位点（MAPT、ABCA7、KANSL1等）。从中鉴定KATNAL2为CHCHD10响应效应基因——AD中KATNAL2低甲基化伴表达下调，其敲低加重Tau磷酸化与种子活性、过表达减轻之，且CHCHD10过表达可挽救KATNAL2缺失表型。研究表明CHCHD10关联通路桥接线粒体功能障碍、表观基因组不稳定与Tau病理，确立KATNAL2为功能性下游介质，提出CHCHD10可作为恢复染色质稳态和缓解神经退行的潜在治疗靶点。