MAPT 突变脑类器官与同基因背景对照,通过连续成像比较谷氨酸刺激及 apilimod 处理后的神经元存活。原创概念示意,非原始细胞或实验数据。
MAPT 突变脑类器官与同基因背景对照,通过连续成像比较谷氨酸刺激及 apilimod 处理后的神经元存活。原创概念示意,非原始细胞或实验数据。(J&E Bio)

用同基因背景对照追踪病变随时间形成

额颞叶痴呆(frontotemporal dementia,FTD)中的部分遗传病例与 MAPT 变异有关。美国西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine at Mount Sinai)等团队建立人脑类器官,研究 MAPT-V337M 相关的神经元损失之前发生了什么。

模型由 3 位变异携带者的诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)建立,配有同基因背景的校正对照。研究在 2、4 和 6 月龄比较细胞组成、蛋白与转录变化。这个设计把细胞来源差别与变异相关的时间变化分开观察。

整项研究表征了超过 6,000 个类器官,其中整体 RNA 测序最终分析 239 个,单细胞测序分析 339 个。这些是不同实验资料的规模,后续药理成像有独立的神经元和类器官分母。

早期变化先于明显的兴奋性神经元减少

2 月龄时,突变与对照类器官的主要细胞组成相近,但突变模型已有自噬与溶酶体相关异常,部分蛋白指标改变。4 至 6 月龄,总 tau 及部分磷酸化 tau 逐渐积累。

到 6 月龄,突变类器官中的多类兴奋性神经元比例减少。抑制性神经元与星形胶质细胞的数量没有出现同样变化,显示细胞类型之间的易损性存在差别。

这些结果把较早的蛋白稳态和谷氨酸相关变化,与较晚的选择性神经元丢失联系起来。作者提出相应工作模型,但也指出,谷氨酸信号的机制仍需要更完整的电生理验证。

连续追踪神经元,区分基线与兴奋毒性

药理实验用荧光标记的 Synapsin1-GFP 阳性神经元作为观察对象,每日成像追踪同一细胞。实验末以 DRAQ5 染色辅助检查存活状态,统计神经元的存活过程。

在没有过量谷氨酸时,4 月龄突变与对照类器官的神经元生存没有显著差别。图 7B 分别跟踪 80 个神经元,来自各组 5 个类器官。

反复 5 mM 谷氨酸刺激后,突变神经元丢失更快。相应图 7D 各组跟踪 100 个神经元、来自 5 个类器官;跨 3 组同基因背景模型的实验也支持这一易损表型。

apilimod 改善存活,但没有降低 tau

团队选择 PIKFYVE 脂质激酶抑制剂 apilimod,检查内体与溶酶体相关干预能否减轻兴奋毒性。10 μM apilimod 处理后,突变类器官中谷氨酸引起的神经元损失得到改善。

这组存活比较每条件跟踪 120 个神经元,来自 5 个类器官。神经元数用于形成存活曲线,与类器官样本数分别报告;研究使用 Log-rank 检验比较曲线。

apilimod 改善存活时,总 tau 与磷酸化 tau 蛋白水平没有改变。作者提出,药物可能通过内体、溶酶体及受体循环影响兴奋毒性反应。

反义寡核苷酸提供靶点复核,低 4R tau 限制模型范围

研究还用针对 PIKFYVE 的反义寡核苷酸检查靶点作用。突变神经元的生存得到改善,而同基因背景对照神经元未显示同样的显著改善;这为 PIKFYVE 相关干预提供了另一层支持。

原文同时指出,类器官中 4R tau 表达较低,可能遗漏这类蛋白的部分作用。其他 MAPT 变异、散发性 tau 病及小胶质细胞参与的过程,也需要另行检验。

来源与延伸阅读

  1. ELAVL4, splicing, and glutamatergic dysfunction precede neuron loss in MAPT mutation cerebral organoids. Cell. 2021. doi:10.1016/j.cell.2021.07.003 ↗