小胶质细胞p38α MAPK在HIV-1相关炎症性脑损伤中的关键体内作用

《Brain, Behavior, and Immunity》：A critical in vivo role for microglial p38α MAPK in HIV-1 associated inflammatory brain injury

　　

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  小胶质细胞特异性p38α敲除可保护HIVgp120转基因小鼠的空间学习和记忆功能。
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  小胶质细胞特异性p38α敲除可消除HIV-1 gp120诱导的神经元损伤，但不能阻止小胶质细胞数量的增加。
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  小胶质细胞中p38α的缺乏可调节海马和大脑皮层中与神经传递相关基因的表达。
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  小胶质细胞的RNA测序显示，p38α影响大脑对转基因HIV gp120表达的免疫反应。
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  CRISPR介导的人小胶质细胞p38α敲除支持抗病毒反应，同时限制对单链和双链病毒RNA的炎症反应。

引言

2024年全球约有4080万人感染了HIV-1（UNAIDS，2024）。HIV可导致一系列神经认知并发症，称为HIV相关神经认知障碍（HAND）（Antinori等，2007，Ellis等，2023，Saylor等，2016）。联合抗逆转录病毒疗法（cART）可有效抑制全身HIV感染；然而，由于至少部分原因是其难以渗透进入中枢神经系统（CNS），cART对脑损伤和HAND的保护并不完全（Robertson等，2012，Sacktor等，2001）。高达50%的HIV感染者（PWH）仍存在神经认知障碍（Ellis等，2023，Heaton等，2011，Levine等，2016，Meeker等，2014）。神经认知障碍与神经病理特征相关，特别是突触和树突密度降低以及单核细胞浸润和积累，包括血液来源的巨噬细胞和驻留小胶质细胞（Ellis等，2007，Gelman等，2012，Gelman等，2013，Levine等，2016，Masliah等，1992，Masliah等，1997）。在大脑中，HIV-1主要有效感染巨噬细胞或小胶质细胞，但神经元遭受树突损伤和突触丢失，最终可能通过凋亡死亡（Garden等，2002，Jones和Power，2006，Kaul和Lipton，1999，Koenig等，1986）。越来越多的证据表明，神经元损伤的主要途径是间接性的，通过释放神经毒素（Cheung等，2008，Giulian等，1993，Kaul和Lipton，1999，O'Donnell等，2006，Porcheray等，2006），如兴奋性毒素、趋化因子和/或促炎细胞因子，由HIV感染及未感染但受刺激的巨噬细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞释放（Kaul等，2001）。然而，HIV诱导脑损伤的机制尚未完全阐明（Ellis等，2023，Sanchez和Kaul，2017）。

HIV-1对淋巴细胞、巨噬细胞和小胶质细胞的感染由趋化因子共受体CXCR4和CCR5以及CD4介导（Bleul等，1996，Choe等，1996，He等，1997）。中枢神经系统中HIV-1有效感染的主要靶细胞是小胶质细胞（Price等，1988，Takahashi等，1996，Watkins等，1990），尽管神经元和星形胶质细胞也表达CCR5和CXCR4，但缺乏CD4受体（Gonzalez-Scarano和Martin-Garcia，2005，Kaul等，2001）。在首次观察到HIV感染的巨噬细胞释放神经毒素后，很快发现仅病毒包膜蛋白gp120就足以触发髓样细胞的神经毒性（Giulian等，1990，Giulian等，1993）。值得注意的是，在混合神经元-胶质细胞培养物中消除或失活小胶质细胞可完全消除HIV-1 gp120诱导的神经元死亡（Garden等，2004，Kaul和Lipton，1999）。

先前的研究表明，HIV-1神经发病机制的可能机制涉及HIV-1或gp120激活和扰动众多细胞内信号通路，以及从活化的巨噬细胞和小胶质细胞中释放神经毒性因子，包括有丝分裂原激活蛋白激酶（MAPK）家族的成员（Cheung等，2008，Del Corno等，2001，Eggert等，2010，Kaul和Lipton，1999，Kaul等，2007，Medders等，2010，Perfettini等，2005，Sui等，2006）。在此我们表明，小胶质细胞中的p38α MAPK对于HIV-1 gp120在NeuroHIV转基因小鼠模型中的神经毒性效应至关重要。该转基因模型在小胶质细胞中由星形胶质细胞酸性蛋白（GFAP）启动子控制表达CXCR4利用型HIV-1毒株LAV的病毒包膜蛋白gp120（HIVgp120tg）（Toggas等，1994）。HIVgp120tg小鼠表现出显著的行为改变，如12月龄时空间记忆受损（D'Hooge等，1999，Maung等，2014），并具有关键的神经病理特征，如神经元树突和突触前末端的丢失、小胶质细胞数量增加和星形胶质细胞增生，以及与人NeuroHIV大脑差异表达的基因（Maung等，2014，Toggas等，1994）。我们证明，在小胶质细胞特异性敲除p38α MAPK的HIVgp120tg小鼠中，HIV-1 gp120诱导的行为改变和神经毒性被消除。小胶质细胞的RNA测序分析显示，p38α缺乏导致与保护相关的独特基因表达模式。在缺乏小胶质细胞p38α的HIVgp120tg小鼠大脑中，细胞应激水平总体降低，如内源性磷酸化p38α MAPK水平降低和ERK1/2（细胞外信号调节激酶）信号水平增加所示。我们使用CRISPR/Cas9技术也从小胶质细胞中敲除了p38α。p38α缺乏的小胶质细胞暴露于模拟病毒感染的单链和双链病毒RNA，发现MAPK抑制抗病毒反应并促进炎症反应。总之，我们的结果支持小胶质细胞p38α MAPK信号在HIV相关神经毒性中发挥关键作用。

章节摘要

小鼠

HIVgp120tg小鼠由Lennart Mucke博士慷慨提供（加州大学旧金山分校，格拉德斯通神经疾病研究所）（Toggas等，1994）。这些小鼠在修饰的小鼠星形胶质细胞酸性蛋白（GFAP）启动子的调控下，在星形胶质细胞中表达HIVgp120包膜蛋白。最近已研究并表征了两条显示出HIV相关神经病理的创始品系（L1和L2）的中枢神经系统基因表达，本研究使用了L2。

小胶质细胞特异性p38α敲除在HIVgp120tg大脑中保护空间学习和记忆功能

为了研究小胶质细胞p38α对HIV-1 gp120介导的神经元损伤的影响，将HIVgp120tg（p38α^FFcre^-/-gp120^+/-，以下称为GP）小鼠与Cx3cr1-cre（p38α^FFcre^+/-gp120^-/-）小鼠交配，产生有和没有gp120的小胶质细胞特异性p38α敲除小鼠（p38α^FFcre^+/-gp120^+/-；p38α^FFcre^+/-gp120^-/-，以下称为KOGP和KO）。p38α^FFcre^-/-gp120^-/-（以下称为WT）小鼠作为对照。为了确认p38α的缺失，CD45

讨论

HIV相关神经认知障碍仍然是HIV感染者面临的主要问题，目前尚无特异性治疗方法（Saylor等，2016）。即使在cART存在的情况下，被抑制的HIV感染仍可通过与残留病毒蛋白相互作用或通过感染细胞释放的因子（包括细胞因子）激活巨噬细胞和小胶质细胞（Kaul等，2001）。HIV感染及未感染但受HIVgp120刺激的巨噬细胞和小胶质细胞释放神经毒性因子，包括兴奋性……

结论

总之，我们的研究提供了新的证据，表明小胶质细胞中的p38α在与HIV-1相关的神经元损伤中发挥关键作用。我们的体内研究采用了已建立的HIV相关脑损伤转基因模型——HIVgp120tg小鼠，其中小胶质细胞的细胞特异性p38α敲除不影响病毒蛋白的表达水平。这使得我们能够证明，即使表达神经毒性诱导的病毒蛋白，小胶质细胞p38α的缺失也能防止神经元……

CRediT作者贡献声明

Deepika Bhullar：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，调查研究，形式化分析，数据整理。Ricky Maung：调查研究，形式化分析，数据整理。Amanda J. Roberts：方法学，调查研究，形式化分析，数据整理。Rabi Murad：方法学，形式化分析。Monica J. Carson：监督，方法学。Marcus Kaul：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，调查研究，经费获取，

伦理批准和参与同意

不适用。本研究不涉及人类受试者研究。

数据或材料的可用性

RNA测序数据已存入GEO数据库，登录号为GSE185371。在本研究期间产生的其他数据可通过合理要求从通讯作者处获取。新的品系将通过材料转让协议（MTA）共享。

作者贡献

M.K.开发了该项目，D.B.和M.K.设计了实验。D.B.、R.Ma.和A.J.R.执行了实验。R.Mu.提供了技术协助。M.J.C.指导了小胶质细胞的分离。D.B.和M.K.分析了数据并撰写了论文。

资金

本工作得到了美国国立卫生研究院（NIH）资金的资助，项目编号R01 MH087332、MH104131、MH105330、DA052209、DA063181和NS148274，资助给M.K。资助方在研究设计、数据收集或投稿决定中不起作用。

致谢

作者感谢Kaul实验室成员帮助收集小鼠脑组织，感谢桑福德伯纳姆普里布斯医学发现研究所和加州大学里弗赛德分校（UCR）的动物设施协助维护小鼠群。感谢UCR医学院流式细胞术核心的Mary Hamer进行细胞分选。RNA测序文库制备和测序在加州大学里弗赛德分校综合基因组学研究所（IIGB）基因组学核心设施完成。

Deepika Bhullar | Ricky Maung | Amanda J. Roberts | Rabi Murad | Monica J. Carson | Marcus Kaul