在当今社会,阿尔茨海默病(AD)已经成为一个日益严峻的健康挑战。它就像一个无形的杀手,悄无声息地侵蚀着患者的大脑,让他们逐渐失去记忆、认知和生活自理能力。据统计,全球约有5000万AD患者,预计到2050年,这一数字将增长至1.52亿。如此庞大的患者群体,让我们不得不重视AD的研究和治疗。
今天,我们要介绍的这篇由华中科技大学的王建枝教授团队及合作者于2024年发表的优秀论文《A positive feedback inhibition of isocitrate dehydrogenase 3β on paired - box gene 6 promotes Alzheimer - like pathology》,为我们揭示了AD发病机制中的一个关键环节,或许能为AD的治疗带来新的希望。
研究背景:葡萄糖代谢与AD的不解之缘
大脑是人体最耗能的器官之一,而葡萄糖则是大脑的主要能量来源。在AD患者的大脑中,葡萄糖代谢受损是一个早期且显著的特征。然而,其背后的根本机制一直是个未解之谜。
在三羧酸循环(TCA)中,异柠檬酸脱氢酶3(IDH3)是一种关键的限速酶。它就像一个勤劳的小工人,将异柠檬酸氧化脱羧为α - 酮戊二酸和CO₂,同时将NAD⁺转化为NADH,为呼吸链提供质子,促进能量供应和氧化磷酸化。IDH3由两个α催化亚基、一个β结构亚基(IDH3β)和一个γ交换亚基组成,其中IDH3β对于异四聚体的组装至关重要。
此外,组蛋白的翻译后修饰(PTM)也在细胞的生理和病理过程中发挥着重要作用。乳酸作为糖酵解的产物,能够诱导组蛋白乳酸化,从而影响基因的表达。
利用siRNA技术敲低N2a细胞中的IDH3β表达后,研究人员观察到IDH3β蛋白水平下降了75%,IDH3酶活性下降了62%。这导致了TCA循环中间产物α - 酮戊二酸(αKG)的减少,ATP生成减少,NAD与NADH的比率增加。进一步检查电子呼吸链中酶复合物的蛋白水平发现,ATP合酶的β - 亚基减少。这一系列的变化就像多米诺骨牌一样,一个倒下引发了一连串的反应,最终导致细胞的能量代谢出现严重问题。
Tau蛋白过磷酸化:IDH3β的下降导致tau蛋白在多个位点出现过磷酸化,这是AD的一个主要病理特征。
突触损伤:IDH3β敲低导致突触素 (Synaptophysin) 和突触后密度蛋白95 (PSD95) 等突触相关蛋白水平下降,表明突触功能受损。
乳酸与组蛋白乳酸化:IDH3β敲低导致氧化磷酸化解偶联,能量代谢降低,乳酸积累。增加的乳酸作为乳酰基的来源,促进了组蛋白乳酸化,从而增强了配对盒基因6(PAX6)的表达。这就像是一个开关被打开,原本沉默的基因开始活跃起来。
a–c 在 N2a 细胞中,敲低 IDH3β 可导致乳酸水平升高及蛋白质整体乳酰化程度增加。
d–e 敲低 IDH3β 可使原代神经元中组蛋白 H4 的 Lys12和 Lys8位点、H3 的 Lys18 位点乳酰化水平升高。
f–g 敲低 IDH3β 可使 2 月龄 C57BL/6 小鼠海马体中组蛋白 H4 的 Lys12和 Lys8位点、H3 的 Lys18 位点乳酰化水平升高。
h–i 用 L - 乳酸(乳酸钠,20 mM 处理 24 小时)可使 N2a 细胞中组蛋白 H4 的 Lys12和 Lys8位点、H3 的 Lys18 位点乳酰化水平升高。
j 通过 GeneCards 和 JARPAR 公共数据库分析显示,IDH3β 基因启动子区的主要转录因子结合位点包括 PAX6、MZF1、ZBTB6、NHLH1、ZEB1 和 NR3C1。
k–m 敲低 IDH3β 可显著增加 N2a 细胞中 PAX6 的蛋白和 mRNA 水平,而 MZF1、ZBTB6(箭头所示主条带)、NHLH1、ZEB1 和 NR3C1 的蛋白表达水平与对照组无显著差异。
n–o 敲低 IDH3β 可显著增加 2 月龄 C57BL/6 小鼠海马体中 PAX6 的蛋白水平。
p–q 用 L - 乳酸(乳酸钠,20 mM 处理 24 小时)可增加 N2a 细胞中 PAX6 的表达。
r–s 免疫荧光染色显示,与对照组相比,AD 患者海马体中 IDH3β 水平显著降低,PAX6 水平显著升高。
PAX6的反馈抑制
PAX6作为IDH3β的抑制性转录因子,其水平升高反过来抑制了IDH3β的表达,形成了一个正反馈抑制环。这个环就像一个恶性循环,不断加剧细胞的代谢紊乱,导致tau蛋白过度磷酸化、突触损伤以及类似于AD的学习和记忆缺陷。
治疗潜力
在AD转基因小鼠中,上调IDH3β和下调PAX6可以改善认知功能,逆转AD样病理。这表明打破IDH3β - 乳酸 - PAX6 - IDH3β的正反馈抑制环,通过上调IDH3β或下调PAX6,可以减轻AD神经变性和认知障碍。这就像是找到了一把钥匙,打开了治疗AD的新大门。
1. 上调IDH3β:
在AD转基因小鼠中上调IDH3β,能显著改善细胞能量代谢,恢复IDH3酶活性,增加α-酮戊二酸和ATP水平,同时降低乳酸和NAD+/NADH比率,并显著改善了小鼠的学习和记忆能力。
a, b 在上调 IDH3β 的稳定表达 tau 蛋白的 HEK293 细胞中,tau 蛋白在 S199、T231、S262、S404位点的磷酸化水平及 T22 阳性 tau显著降低。
c 将 eNeonGreen 非融合 AAV 病毒(AAV-CMV-IDH3β-2A-eNeonGreen)或空载体立体定向注入 5 月龄 5xFAD 小鼠或野生型对照小鼠的双侧海马,1 个月后通过荧光成像证实 IDH3β 在整个海马区的表达。
d 6 月龄 5xFAD 小鼠的 IDH3 活性降低,外源性表达 IDH3β 可恢复其活性。
e 5xFAD 小鼠的 α- 酮戊二酸(α-KG)水平降低,外源性表达 IDH3β 可使其恢复至正常水平。
f 5xFAD 小鼠的 ATP 水平降低,表达 IDH3β 可恢复 ATP 水平。
g 5xFAD 小鼠的 L - 乳酸水平升高,外源性表达 IDH3β 可使其恢复。
h 5xFAD 小鼠的 NAD+/NADH 比值升高,表达 IDH3β 可使其恢复。
i 实验流程示意图:病毒表达 1 个月后,通过行为学测试评估小鼠的学习记忆能力,包括新物体识别测试(NOR)、莫里斯水迷宫测试(MWM)和情境恐惧条件反射测试(CFT)。
j, k 通过 NOR 测试发现,上调 IDH3β 可增加 5xFAD 小鼠对新物体的偏好性。
l-p 上调 IDH3β 可改善 5xFAD 小鼠的空间学习记忆能力,表现为:MWM 训练 5 天期间寻找目标平台的潜伏期缩短,第 7 天探针测试中到达目标平台的潜伏期缩短、穿越目标平台次数增加、在目标象限停留时间延长。
q, r 通过 CFT 测试发现,上调 IDH3β 可改善 5xFAD 小鼠的情境恐惧记忆,表现为冻结时间恢复,而两组移动距离无差异。
上调IDH3β还逆转了AD样病理,包括减少Aβ斑块沉积、恢复神经元树突棘的数量、改善突触功能。
a, b 免疫荧光染色显示,上调 IDH3β 可减少 5xFAD 小鼠海马各亚区的 6E10(Aβ)染色。
c, d 免疫组织化学染色显示,上调 IDH3β 可减少 5xFAD 小鼠海马各亚区的 6E10(Aβ)染色。
e, f Golgi 染色显示,上调 IDH3β 可增加 5xFAD 小鼠海马神经元的树突棘数量。
g, h Western blot 检测显示,上调 IDH3β 可恢复 5xFAD 小鼠海马中突触相关蛋白的表达水平。
i, j Sholl 分析显示,上调 IDH3β(慢病毒 lv-IDH3β-2A-GFP 转染 6 天,再用 Aβ 处理 24 小时)可挽救 Aβ 诱导的原代神经元复杂性丧失。
2. 下调PAX6:
鉴于PAX6对IDH3β的强抑制作用,研究人员还在AD转基因小鼠中下调了PAX6。
结果显示,下调PAX6同样改善了认知功能,减少了Aβ斑块,并恢复了突触相关蛋白的表达。
a, b 实验流程示意图:将 AAV 病毒 AAV-U6-shRNA(PAX6)-CMV-mScarlet-WPRE 或对照 shRNA 病毒 AAV-U6-shRNA(NC2)-CMV-mScarlet-WPRE 立体定向注入 11 月龄 5xFAD 小鼠或野生型小鼠的双侧海马,1 个月后通过荧光成像证实病毒在整个海马区的表达。病毒表达 1 个月后,通过行为学测试评估小鼠的学习记忆能力,包括新物体识别测试(NOR)、莫里斯水迷宫测试(MWM)和情境恐惧条件反射测试(CFT)。
c, d 通过 NOR 测试发现,下调 PAX6 可增加 5xFAD 小鼠对新物体的偏好性。
e-i 下调 PAX6 可改善 5xFAD 小鼠的空间学习记忆能力,表现为:MWM 训练 5 天期间寻找目标平台的潜伏期缩短,第 7 天探针测试中到达目标平台的潜伏期缩短、穿越目标平台次数增加、在目标象限停留时间延长。
j, k 通过 CFT 测试发现,下调 PAX6 可改善 5xFAD 小鼠的情境恐惧记忆,表现为冻结时间恢复,而两组移动距离无差异。
l, m 免疫荧光染色显示,下调 PAX6 可减少 5xFAD 小鼠海马各亚区的 6E10(Aβ)染色。
n, o 免疫组织化学染色显示,下调 PAX6 可减少 5xFAD 小鼠海马各亚区的 6E10(Aβ)染色。
p, q Western blot 检测显示,下调 PAX6 可恢复 5xFAD 小鼠海马中突触相关蛋白的表达水平。
这篇论文的研究成果为阿尔茨海默病的发病机制提供了新的见解。它揭示了IDH3β - 乳酸 - PAX6 - IDH3β正反馈机制在代谢紊乱中的作用,强调了IDH3β作为AD治疗新分子靶点的调节潜力。
通过上调 IDH3β 或下调 PAX6阻断该反馈环,可恢复细胞能量代谢(如 ATP 生成和 TCA 中间产物 α- 酮戊二酸水平),减少乳酸积累和组蛋白乳酰化,进而逆转 AD 样病理改变(如 Aβ 斑块减少、突触蛋白表达恢复),改善认知功能。
未来,我们或许可以通过开发针对IDH3β的药物,调节其表达或活性,打破这个正反馈环,从而改善AD患者的大脑代谢和认知功能。此外,这一发现也为AD的早期诊断提供了新的生物标志物,有助于我们更早地发现和干预疾病。
虽然目前距离真正的临床应用还有一段路要走,但这一研究无疑为AD的治疗带来了新的希望。相信在科研人员的不断努力下,我们一定能够攻克阿尔茨海默病这一难题,让更多的患者重获健康和幸福。
值得一提的是,文章中用到的经典AD模型5xFAD小鼠及其野生型对照由鼠来宝生物提供。
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关于AD模型介绍,请参阅我们的往期文章:
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41392-024-01812-5?sessionid=