综述：早老素缺乏超越淀粉样蛋白：来自早老素1/2条件性双敲除小鼠关于突触衰竭、钙稳态失调与炎症驱动阿尔茨海默病的启示

《Brain Research Bulletin》：Presenilin Deficiency Beyond Amyloid: Lessons from Presenilin 1/2 Conditional Double-Knockout Mice on Synaptic Failure, Calcium Dyshomeostasis, and Inflammation-Driven Alzheimer’s disease

　　

阿尔茨海默病(AD)是最常见的进行性神经退行性疾病，以记忆和行为缺陷为特征，最终导致广泛的认知衰退。尽管淀粉样蛋白级联假说长期将早老素定位为γ-分泌酶的催化核心，通过切割淀粉样前体蛋白(APP)产生淀粉样-β(Aβ)，但早老素在神经元和非神经元区室中具有广泛的功能多样性。早老素(PS)1/2条件性双敲除(PS cDKO)小鼠模型的建立，为揭示独立于Aβ的神经退行性机制提供了严格的测试平台。该模型通过在PS2缺失的背景下，于出生后条件性敲除前脑兴奋性神经元中的PS1，成功规避了胚胎致死性，并重现了成年期发病的进行性神经退行性病变。在PS cDKO小鼠中，表现出早期突触和记忆缺陷，随后出现皮质萎缩、胶质细胞增生、tau蛋白过度磷酸化和神经元丢失，同时前脑Aβ水平显著降低。这表明早老素基本功能的丧失，而非Aβ的积累，才是病理发生的启动事件。神经炎症作为一种早期且自主的驱动因素，与突触应激和细胞内Ca²⁺信号传导密切相关，共同放大了结构性和认知功能的衰退。调节胆碱能-Ca²⁺耦合或抑制炎症通路等干预措施，能够在不影响Aβ水平的情况下挽救突触可塑性和认知功能。该模型重新定义了早老素作为维持突触完整性、钙动态和炎症稳态的中枢调节枢纽，为非淀粉样蛋白靶向的AD治疗策略提供了重要的转化思路。

1. 引言
阿尔茨海默病(AD)是最常见的进行性神经退行性疾病。传统 amyloid cascade hypothesis 长期将早老素定位为γ-分泌酶的催化核心，其突变导致Aβ过度积累。然而，早老素在神经元和非神经元中具有广泛的非蛋白水解功能。PS1/PS2 conditional double-knockout (PS cDKO) 模型提供了一种严格的独立于Aβ的神经退行性病变测试方法。该模型在αCaMKII阳性前脑兴奋性神经元中敲除PS1并在PS2缺失背景下，规避了胚胎致死性，重现了成年期神经退行性病变，伴随早期突触与记忆缺陷、皮质萎缩、胶质细胞增生及tau过度磷酸化，而前脑Aβ水平反而下降。人类遗传学也支持早老素功能缺失具有超越经典Aβ过度产生的临床后果。该综述旨在综合二十年PS cDKO研究，构建以突触功能障碍到炎症驱动结构衰竭为主线的Aβ-independent 模型。

2. PS cDKO范式：设计、时序与表型特征
AD小鼠模型的表型深受年龄、性别、启动子选择和遗传背景影响。PS cDKO模型通过结合floxed PS1 allele与PS2 germline knockout，利用αCaMKII-Cre驱动重组，在出生后约18天选择性敲除新皮层和海马体兴奋性神经元中的两种早老素亚型。由于该模型Aβ产生显著降低，可清晰剖析独立于Aβ的细胞缺陷。2个月时小鼠表现出突触可塑性受损和早期认知减退，先于神经元丢失的发生。4至10个月时出现皮质变薄、胼胝体萎缩和脑室扩大。细胞水平伴随微管相关蛋白2(MAP2)消耗、星形胶质细胞肥大和小胶质细胞增生，以及AT8免疫反应性过度磷酸化tau蛋白积累和caspase介导的细胞凋亡，且在Aβ下降的情况下发生。转录组学显示炎症和补体相关基因上调。该表型支持多阶段发展，即起始阶段(~1-2个月)出现微妙突触和电生理改变，传播阶段(~2-6个月)出现转录障碍和炎症激活，退行性阶段(~6-12个月)出现明显神经元丢失和萎缩。

3. 作为启动事件的突触衰竭
突触衰竭是早老素缺乏大脑中最早且最具定义性的表型，先于结构退化。PS在突触前的丢失破坏了内质网(ER)Ca²⁺微结构域，降低囊泡释放概率和短期易化；在突触后引发树突棘重塑，表现为drebrin A减少、NMDAR分布改变以及长期增强(LTP)诱导减弱。突触信号的受损进而导致依赖活动的基因表达崩溃，抑制了CREB/CBP依赖的转录程序。这种从突触到细胞核的表观遗传上位作用强调了神经退行性变源于神经元内在通信和反馈的衰竭。时间轨迹研究证实，早期稀疏的caspase-3阳性凋亡及其与局部突触退化的胶质细胞激活，共同构成了从突触功能受损到晚期结构丢失的连续体。

4. 钙稳态失调：内质网储备、RyR耦合与突触前效能
PS的丢失揭示了突触传递依赖于细胞内Ca²⁺处理。在野生型神经元中，PS维持连接ER储备、ryanodine受体、SERCA泵和质膜通道的高度协调的Ca²⁺信号网络。在PS cDKO神经元中，突触前Ca²⁺释放显著减弱，尽管总ER Ca²⁺含量正常。这表明PS缺乏破坏了信号区室化而非全局可用性。在分子水平上，PS作为RyR簇的结构和功能稳定剂。后续系统的网络兴奋性降低，表现为振荡相干性和gamma功率降低。药理学激活α7-nAChR可恢复网络耦合。这种特定于神经元的再解释解决了文献中的差异，支持PS调节通道门控和微结构域完整性。

5. 作为放大器和驱动器的神经炎症
PS cDKO皮质中炎症和免疫反应程序发生上调，尽管可溶性Aβ水平降低。细胞水平呈现显著的小胶质细胞增生和星形胶质细胞增生，形态向变形虫样激活状态转变。星形胶质细胞上调A1神经毒性表型相关基因。生化分析表明，氧化应激与炎症耦合形成了活性氧(ROS)和活性氮中间体(RNI)放大NF-κB信号的促炎前馈循环。干预研究表明，NF-κB blockade 和 NLRP3 inflammasome suppression 能够恢复NMDAR介导的突触传递和LTP，改善记忆。这些证明了神经炎症在驱动神经退行性病变中的因果作用。PS缺乏改变了胶质细胞激活阈值，使神经环路易受过度炎症影响，形成自我维持的神经免疫环路。

6. tau病与结构退化
后期PS cDKO病理表现为前脑的结构性分解。定量神经解剖分析显示严重的皮层变薄和胼胝体萎缩。细胞层面显示MAP2消耗和细胞凋亡标志物。这些特征在单一PS敲除中不存在，突显了两种早老素协同作用。伴随结构性退化，PS cDKO大脑呈现tau过度磷酸化。此过程由Ca²⁺/CDK5/p25信号级联驱动。代谢调节可挽救结构完整性，如热量限制(CR)通过SIRT1介导途径减轻tau磷酸化。胆碱能系统 stabilization 同样提供自上而下的保护作用。

7. 自噬-溶酶体与“修正后的”模型
关于PS缺乏导致溶酶体酸化和自噬整体衰竭的早期模型被后续研究所修正。溶酶体pH和cathepsin D成熟在PS cDKO神经元中保持正常。相反，转录组表明CLEAR-network基因上调，提示TFEB介导的补偿性溶酶体生物合成。观察到的自噬结构积累反映的是信号传导改变导致的空间运输瓶颈，而非生化降解失败。这种适应性反应最终在累积的炎症和氧化应激下崩溃，提示治疗策略应增强TFEB激活和细胞器间协调。

8. PS缺乏的系统性外周表现
条件性敲除模型表明PS缺乏的影响超越大脑。即使在仅前脑受限的PS cDKO小鼠中，也出现了外周炎症。机制上存在双向的脑-体通讯轴，中枢炎症可能导致外周免疫启动，反之亦然。当在肠上皮细胞中失活PS时，会引发严重的屏障功能障碍。γ-分泌酶依赖性信号协调神经-上皮-免疫系统的整合，其缺失将破坏生物体整体稳态网络，并支持多器官、Aβ-independent 炎症轴在AD发病机制中的潜在作用。

9. PS cDKO的治疗启示
该模型为开发独立于淀粉样蛋白的神经退行性病变治疗策略提供了框架。首先，靶向天然免疫力，通过干预NF-κB和NLRP3通路等microglial-astrocytic checkpoints可恢复神经元生理。其次，重新增强突触前Ca²⁺微结构域，通过激动α7-nAChR恢复囊泡释放。第三，恢复依赖活动的转录，代谢调节和胆碱能刺激可重新连接突触到细胞核的通讯。第四，避免泛γ-分泌酶抑制，因其重现了神经退行性病变，而应致力于底物选择性调节以保持生理功能。

10. 方法学考量与注意事项
模型的解释需谨慎考量实验变量。Cre重组酶的特异性与时序、遗传背景和代偿机制均会影响表型特征。αCaMKII-Cre导致渐进性丢失。由于PS广泛表达，应进行细胞类型特异性分析。与引发部分功能丧失的人类突变相比，PS cDKO模拟的是PS缺乏的极端情况，应结合多模型实现严谨推断。

11. 独立于Aβ的发病机制：整合模型
PS cDKO研究汇集为一个统一的模型，突触功能障碍和胶质细胞稳态失衡引发了神经元丢失。在机制上，该模型将早老素重塑为维持系统稳定性的整合器。由突触前RyR-SERCA解偶联启动，导致NMDAR-CREB/CBP转录抑制，并被炎症回路加速，最终走向以tau病和结构性萎缩为终点的级联反应。概念上，这重新定义了AD病理发生为神经元稳态的系统级崩溃。

12. 未来方向
未来研究应致力于将机制转化为干预手段，如稳定RyR依赖性钙微结构域和选择性调节炎症信号。此外应整合系统性策略，通过多组学和纵向成像定义治疗窗口。结合人类iPSC模型与血浆生物标志物，将有助于在独立于Aβ病理的背景下完善早期诊断和治疗的转化设计。

13. 总结展望
PS cDKO范式促使将AD重新定义为网络解体疾病。神经退行性病变可完全独立于淀粉样蛋白发生，而是源于突触前Ca²⁺崩溃。早老素作为神经元协调中心，维持钙动态、突触信号和稳态可塑性。治疗核心已从清除聚集体转向恢复神经元连接性和系统通信。