C9orf72介導的小膠質(zhì)細胞功能異常與肌萎縮性側索硬化和額顳葉癡呆相關性研究進展

郭冬芬 禹文峰 姚源蓉

(1貴州醫(yī)科大學分子生物學重點實驗室，貴州 貴陽 550004；2貴州省人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科)

肌萎縮側索硬化(ALS)和額顳葉癡呆(FTD)都是一種漸進性、致死性的神經(jīng)退行性疾病，二者都伴有神經(jīng)元的丟失且在臨床表現(xiàn)、病理機制、神經(jīng)行為特征和遺傳病因上有部分重疊。二者的發(fā)病機制尚不明確，據(jù)報道有基因突變，包括9號染色體開放閱讀框72基因(C9orf72)、TAR DNA結合蛋白基因 (TARDBP)和肉瘤融合蛋白基因(FUS)等。其中C9orf72 G4C2六核苷酸重復(HRE)是最常見的導致ALS和FTD發(fā)生的基因突變〔1,2〕。由于運動神經(jīng)元的丟失是ALS和FTD的主要病理標志，因此早期的研究主要集中在以神經(jīng)元病變?yōu)橹行?，然而最近的研究表明神?jīng)退行性疾病中存在非神經(jīng)元細胞類型的病變，包括星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞〔3〕。野生型C9orf72在囊泡運輸和溶酶體功能中發(fā)揮重要作用，研究發(fā)現(xiàn)C9orf72突變與神經(jīng)炎癥和吞噬異常相關，神經(jīng)炎癥是ALS和FTD的病理性特征，特點是小膠質(zhì)細胞的激活并釋放促炎癥因子與神經(jīng)毒性物質(zhì)；其次，自噬與吞噬之間存在相似性，自噬異常會影響小膠質(zhì)細胞的吞噬功能。本文就C9orf72通過影響小膠質(zhì)細胞的功能從而參與ALS和FTD的發(fā)生發(fā)展進行綜述。

1 小膠質(zhì)細胞與神經(jīng)炎癥

小膠質(zhì)細胞是先天免疫系統(tǒng)的組成部分，占中樞神經(jīng)系統(tǒng)細胞的5%～12%〔4〕。正常情況下，小膠質(zhì)細胞能夠感知其周圍的環(huán)境，通過其分支來實時監(jiān)測微環(huán)境，尋找潛在的信號，采取進一步的行動。同時，小膠質(zhì)細胞還能分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子，如神經(jīng)生長因子和堿性成纖維細胞生長因子來促進突觸形成，因此正常狀態(tài)下的小膠質(zhì)細胞對于神經(jīng)元的發(fā)育和維持很重要〔5〕。但當受到刺激時，小膠質(zhì)細胞會被激活，根據(jù)其受到的刺激不同，可以極化為不同的表型。分別為促炎癥型(M1型)和抗炎癥型(M2型)。M1型小膠質(zhì)細胞能產(chǎn)生促炎癥介質(zhì)，包括一氧化氮合酶、白細胞介素-1β、腫瘤壞死因子α，對神經(jīng)元產(chǎn)生毒性作用〔6〕。而M2型具有吞噬作用，同時還能產(chǎn)生抗炎因子及神經(jīng)營養(yǎng)因子，能減少神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥反應，促進神經(jīng)修復，起到神經(jīng)保護作用〔7〕。因此激活的小膠質(zhì)細胞對于調(diào)控神經(jīng)炎癥具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)炎性級聯(lián)反應可能是ALS和FTD發(fā)病機制之一，在阿爾茨海默病(AD)和帕金森病(PD)患者大腦中，都發(fā)現(xiàn)有激活的小膠質(zhì)細胞〔8〕，且兩種疾病中都伴隨炎癥發(fā)生。用環(huán)氮氧化物四甲基哌啶處理ALS模型鼠(SOD1G93A轉基因鼠)，可緩解ALS模型鼠的體重下降、改善運動缺陷及減少運動神經(jīng)元的丟失。且檢測到給藥后，脊髓前角的小膠質(zhì)細胞反應活性顯著降低，同時炎癥因子的基因表達也相應下調(diào)，這表明四甲基哌啶可能通過減少小膠質(zhì)細胞的活化及其介導的神經(jīng)炎癥從而延緩ALS的發(fā)展〔9〕。因此，激活的小膠質(zhì)細胞介導的神經(jīng)炎癥可能直接影響包括ALS在內(nèi)的多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展〔10〕。

2 C9orf72與ALS/FTD的神經(jīng)病理

C9orf72的G4C2六核苷酸重復擴增，是ALS和FTD最常見的遺傳病因。野生型的C9orf72能翻譯成鳥嘌呤核苷酸交換因子，參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元和免疫細胞的囊泡轉運和自噬〔11〕。在正常人體內(nèi)，該基因為2～3個重復，而在發(fā)生C9orf72突變的ALS患者體內(nèi)，其重復為66～4 400個。C9orf72 HRE造成疾病的可能機制有3個，包括由于C9orf72單倍表達不足造成功能丟失、由C9orf72擴增重復序列而產(chǎn)生的核糖核酸(RNA)團簇、與重復相關的非抗胸腺細胞球蛋白(ATG)依賴翻譯產(chǎn)生雙肽重復蛋白(DRPs)〔12〕。這些DRPs主要有5種，包括poly-GA、poly-GP、poly-GR、poly-PR、poly-PA。研究發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生C9orf72 HRE時，最容易受到危害的就是神經(jīng)元，主要是因為發(fā)生C9orf72 HRE時，單倍體不足導致其表達下調(diào)，致使運動神經(jīng)元中的溶酶體數(shù)量下降，從而導致DRPs在神經(jīng)元積累對其產(chǎn)生毒性〔13〕，ALS病變區(qū)域包括運動皮層、額葉皮層和脊髓前角，都發(fā)現(xiàn)poly-GR的聚集〔14〕。除了直接危害神經(jīng)元參與ALS/FTD發(fā)生，近年來還發(fā)現(xiàn)C9orf72 HRE與炎癥相關。據(jù)Burberry等〔15〕報道，小鼠中C9orf72同源基因的功能缺失突變，可引起多種炎性因子的釋放，導致致命性的自身免疫性疾病。另外，對C9orf72基因缺陷的小鼠脊髓中的小膠質(zhì)細胞進行分析，結果顯示促炎細胞因子白介素-1β、白介素-6表達均上調(diào)〔16〕。綜上，C9orf72突變除了直接危害神經(jīng)元外，還可能通過引起小膠質(zhì)細胞功能異常，從而參與ALS和FTD的發(fā)生。

3 C9orf72激活小膠質(zhì)細胞介導炎癥

C9orf72在ALS患者退化的神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞亞群中選擇性高表達〔17〕。據(jù)報道發(fā)生C9orf72突變的額顳葉變性患者中CD68抗原免疫活性和小膠質(zhì)細胞形態(tài)與正常對照組明顯不同〔18〕。同樣，C9orf72突變的ALS患者體內(nèi)小膠質(zhì)細胞的鈣離子接頭蛋白(Iba)1和CD68免疫反應性也比散發(fā)性ALS病例更高〔19〕。這提示C9orf72的突變可能會導致小膠質(zhì)細胞激活。在6月齡小鼠脊髓的神經(jīng)元表達Poly-GA后，檢測到激活的小膠質(zhì)細胞的標志物Iba1、CD68的免疫活性明顯增加，而在神經(jīng)元未表現(xiàn)出Poly-GA病變的腦部區(qū)域沒有檢測到CD68、Iba1活性〔20〕。同時，與野生型對照組小鼠相比，對神經(jīng)元中特異性表達poly-GA的小鼠，進行poly-GA疫苗接種后，發(fā)現(xiàn)其脊髓中的小膠質(zhì)細胞激活減少〔21〕。這表明，DRPs在神經(jīng)元中積累并對其產(chǎn)生毒性的同時，還能激活小膠質(zhì)細胞。另外，對ALS、FTD和發(fā)生C9orf72突變的ALS患者尸檢額葉皮層組織進行分析，發(fā)現(xiàn)攜帶C9orf72突變的ALS患者額葉皮層中與星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞有關蛋白顯著增加，且通過對C9orf72突變的ALS患者和沒有C9orf72突變的ALS患者間進行蛋白對比分析，發(fā)現(xiàn)在C9orf72突變的ALS患者中，有明顯蛋白表達的增加或下降，且這些蛋白表達的變化與神經(jīng)炎癥相關，從而確定了C9orf72突變與神經(jīng)炎癥相關〔22〕。同樣的，與正常對照組相比，神經(jīng)元特異性表達poly-PR的小鼠，小腦和脊髓處激活的星形膠質(zhì)細胞、小膠質(zhì)細胞數(shù)量明顯增加，運動皮層和脊髓中與炎癥相關的3個基因，包括補體基因補體成分1q子成分A(C1qa)、CD68基因、髓樣細胞觸發(fā)受體2基因表達均上調(diào)，且小鼠出現(xiàn)運動功能障礙和神經(jīng)變性〔23〕。綜上，C9orf7功能異?？赡芡ㄟ^激活小膠質(zhì)細胞，嚴重擾亂免疫內(nèi)環(huán)境，導致系統(tǒng)性自身免疫性疾病并引起神經(jīng)炎癥，進一步加重對神經(jīng)元的危害，從而導致ALS和FTD相關病理。

4 C9orf72介導的自噬異常與小膠質(zhì)細胞的關系

除了通過激活小膠質(zhì)細胞引起神經(jīng)炎癥參與ALS和FTD過程，C9orf72的另一主要功能就是調(diào)控自噬。研究發(fā)現(xiàn)，C9orf72可以與史密斯-馬蓋尼斯綜合征染色體候選基因(SMCR)8和WD重復域蛋白(WDR)41形成復合體共同調(diào)控自噬——溶酶體通路，C9orf72或SMCR8的表達異常，都會導致自噬異常〔24〕。當C9orf72表達下調(diào)時，自噬的功能受到影響而減弱，從而不能清除這些DRPs的聚集，如小鼠皮層神經(jīng)元中敲除C9orf72，發(fā)現(xiàn)有反式激活反應-DNA結合蛋白(TDP)-43包涵體在神經(jīng)元胞漿聚集〔25,26〕。已有報道，在多種神經(jīng)退行性疾病中存在自噬功能異常，如AD、PD、亨廷頓病、ALS〔27〕。除了通過自噬影響DRPs的形成，近年來還發(fā)現(xiàn)C9orf72可能通過自噬異常而影響小膠質(zhì)細胞的吞噬功能從而參與ALS和FTD的發(fā)生發(fā)展。作為大腦中先天免疫系統(tǒng)的主要參與者，小膠質(zhì)細胞能協(xié)調(diào)大腦的炎癥反應，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷做出反應，并調(diào)節(jié)可溶性炎癥介質(zhì)的釋放及吞噬中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的特異性碎片〔28〕，因此小膠質(zhì)細胞吞噬功能異?？赡軙е律窠?jīng)疾病，如在小鼠和人的顳葉癲癇中都有發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細胞吞噬功能的慢性損傷〔29〕。據(jù)Nash等〔30〕報道，一種能保護神經(jīng)免受氧化應激損傷的蛋白質(zhì)DJ-1的表達不足會影響自噬功能，自噬功能異常后會導致小膠質(zhì)細胞吞噬并清除α-核突觸蛋白的能力下降。同樣有研究顯示，脂多糖激活Toll樣受體(TLR)4后，自噬通量和自噬相關基因在小膠質(zhì)細胞中的表達明顯受到抑制，同時小膠質(zhì)細胞的吞噬功能也受到自噬影響下降〔31〕。以上結果表明自噬異?？梢杂绊懶∧z質(zhì)細胞的吞噬功能。除此之外，已有研究證實，小膠質(zhì)細胞中與吞噬相關的一些基因的突變會導致小膠質(zhì)細胞吞噬功能的異常，參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展，如選擇性在小膠質(zhì)細胞表達的髓樣細胞觸發(fā)受體2基因突變導致功能喪失，會改變小膠質(zhì)細胞的炎癥應答和減弱其吞噬功能〔32〕，從而與ALS、FTD、AD、PD的發(fā)生相關。同樣，在小膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元中都有表達的顆粒蛋白前體基因，其突變也會導致細胞的吞噬功能異?！?3〕。另外，對C9orf72敲除的小鼠脊髓中分離的小膠質(zhì)細胞進行分析，發(fā)現(xiàn)細胞因子白介素-1β和白介素-6水平升高，其潛在機制可能與其溶酶體功能異常相關〔16〕。由于野生型的C9orf72具有調(diào)節(jié)自噬和溶酶體功能的作用，因此推測，當C9orf72功能異常時，也可能會通過自噬異常進而影響小膠質(zhì)細胞的吞噬功能，進一步加重神經(jīng)變性的危害，從而參與ALS和FTD。

綜上，C9orf72的G4C2六核苷酸重復擴增，是ALS和FTD最常見的遺傳病因，C9orf72突變時主要危及神經(jīng)元〔34〕，但近年來的研究發(fā)現(xiàn)C9orf72突變還可能危及非神經(jīng)元細胞類型〔3〕，如在攜帶C9orf72突變的患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有激活的小膠質(zhì)細胞，同時伴隨炎癥因子的釋放〔19,22〕，基于這些已有的研究，本文概述了C9orf72可能通過激活小膠質(zhì)細胞介導神經(jīng)炎癥發(fā)生，并可能影響小膠質(zhì)細胞的吞噬功能，從而參與ALS和FTD的發(fā)生發(fā)展。這一途徑將為ALS和FTD發(fā)生機制研究提供新思路。