人类与非人灵长类神经元对β-淀粉样蛋白敏感性的差异

《Journal of Human Evolution》：Differential amyloid-beta sensitivity across human and nonhuman primate neurons

　　

基于诱导多能干细胞（iPSC）的系统是研究β-淀粉样蛋白（aβ）毒性跨物种差异的可行模型。猕猴神经元对aβ毒性具有抵抗性，并维持细胞周期控制/aβ清除机制。猿类神经元表现出结构/突触脆弱性，但同时上调抗凋亡程序。人类神经元对aβ毒性更脆弱，并上调炎症信号。

人类与非人灵长类神经元对β-淀粉样蛋白敏感性差异的进化解读

人类大脑在进化过程中体积显著增大并经历了复杂的结构重组，这推动了高级认知能力的出现，但也可能伴随着对神经退行性疾病的易感性增加。阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是最常见的年龄依赖性痴呆类型，其神经病理学特征包括β-淀粉样蛋白（amyloid-beta, aβ）斑块的细胞外沉积和过度磷酸化tau蛋白组成的神经原纤维缠结。尽管aβ斑块在多种老年非人灵长类及其他脊椎动物中均有报道，且所有已研究灵长类的aβ氨基酸序列与人类完全一致，但人类似乎是唯一发展出完全AD表型的灵长类物种。这一现象提示，人类可能具有独特的AD易感性机制，其根源或许隐藏于灵长类大脑的进化过程中。为了从进化视角实证检验这一假说，Isabel August、Sheila Steiner、Ruth Oefner、Maria Carolina Marchetto等研究人员利用诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）技术，建立了来自健康对照（healthy control, HC）、AD患者、黑猩猩（Pan troglodytes）、倭黑猩猩（Pan paniscus）和恒河猴（Macaca mulatta）的神经元模型，系统比较了不同物种对aβ诱导毒性的反应。该研究发表于《Journal of Human Evolution》。

研究人员首先在人类HC和AD神经元中验证了毒性评估指标的有效性。他们使用aβ40和aβ42处理细胞，通过MTT细胞活力检测、突触斑块密度定量和神经突串珠分析，发现aβ42比aβ40毒性更强，且AD神经元比HC神经元对aβ42更敏感。这一结果表明，所采用的细胞培养体系能够捕获与AD相关的病理变异，是研究aβ易感性的可行模型。

在跨物种比较中，研究人员将黑猩猩和倭黑猩猩合并为“猿类”组，并与HC、恒河猴进行比较。结果显示，aβ42显著降低所有物种的细胞活力，但人类神经元的存活率显著低于猕猴，猿类介于两者之间且无显著差异。在突触斑块密度和神经突串珠方面，人类和猿类神经元在aβ42处理后均出现显著变化，而猕猴神经元无显著变化。这说明猕猴神经元对aβ42毒性具有较强的抵抗力，而猿类则表现出类似人类的形态学脆弱性。

转录组分析揭示了跨物种共享的核心应激反应。通过RNA测序（RNA-seq），研究人员在人类、猿类和猕猴中鉴定出3034个保守的差异表达基因。这些基因包括内质网应激标志物DDIT3、ATF3、PPP1R15A，神经炎症标志物PTGS2，氧化应激标志物HMOX1，以及自噬/蛋白稳态标志物SQSTM1，它们在三个物种中均上调。这表明，面对aβ42应激，灵长类神经元存在一个保守的转录反应核心。

进一步的基因集富集分析（gene set enrichment analysis, GSEA）揭示了物种间的关键差异。在人类与猕猴的比较中，猕猴神经元富集了细胞周期检查点（G2M检查点、E2F靶标）和凝血相关基因，而人类神经元则表现出对这些程序的更强抑制；同时，人类神经元在炎症反应和NF-κB信号通路中的激活程度更高。在人类与猿类的比较中，猿类神经元更强烈地上调抗凋亡和促生存信号，包括NF-κB、KRAS信号和MYC靶标基因，而人类神经元则上调干扰素α反应。这些转录差异提示，猕猴可能保留了细胞周期检查点和DNA修复机制，猿类则具备更强的抗凋亡能力，这些均可能是非人灵长类抵抗aβ毒性的保护性策略。

为了评估上述跨物种转录反应与人类AD的相关性，研究人员将AD神经元对aβ42的转录反应与保守基因集进行重叠分析，发现2054个基因在两者中均显著差异表达，且反应方向高度一致（回归斜率0.68，R²=0.871）。在AD神经元中，上调基因富集于炎症和免疫信号、代谢应激及线粒体功能障碍通路；下调基因则富集于细胞周期检查点和DNA修复程序。这表明，AD神经元的aβ42反应包含人类特异性的炎症程序，同时丧失了猕猴可能保留的检查点/DNA修复程序，也未能充分激活猿类所具备的促生存程序。

讨论部分指出，人类神经元中细胞周期检查点基因的抑制可能使细胞无法利用早期的DNA修复和抗凋亡机制，从而加剧aβ42诱导的细胞死亡。猕猴中富集的凝血基因集可能并非传统凝血因子，而是反映了蛋白水解清除和细胞外基质重塑过程，例如MMP9和PLAT等基因参与了这些机制，提示猕猴神经元可能具有更强的aβ清除能力。猿类神经元中富集的BIRC3、MCL1等抗凋亡因子则支持了此类物种尽管出现aβ病理却较少发生广泛神经退行的现象。相比之下，人类神经元中ICAM1、IL18等炎症标志物的上调表明其炎症反应更为强烈，而NF-κB和I型干扰素信号的失调已被证实参与AD相关的慢性炎症过程。

研究结论如下：在灵长类大脑进化过程中，蛋白毒性应激反应程序出现了微妙而有意义的差异。人类神经元对aβ诱导毒性的敏感性最高，猕猴最低，猿类居中。这一梯度模式与系统发育关系部分吻合，并可能反映了人类大脑高代谢需求与长寿命之间的进化权衡。通过阐明近缘非人灵长类中的保护性分子机制，该研究为理解人类为何在灵长类中特别易患AD提供了新的概念框架，并可能为AD的预防和治疗策略提供潜在的进化启示。