Neuron：这样调控星形胶质细胞对α-突Syn和tau病理具有保护作用
星形胶质细胞活化是神经退行性疾病的普遍特征。核心昼夜节律转录因子BMAL1是星形胶质细胞活化的强大调控因子，最近的研究发现，BMAL1是调控星形胶质细胞对tau病理和淀粉样斑块反应的最重要的上游转录因子之一。然而，目前尚不清楚BMAL1的调控是否会影响tau或α-Syn病理。
2023年6月13日Sheehan、Nadarajah等人在Neuron发表文章，其研究表明，在小鼠的tau病理和α-Syn病理模型中，全身性Bmal1删除对tau和α-Syn的聚集以及相应的微胶质细胞活化具有保护作用。这种保护效应是由BMAL1介导的星形胶质细胞活化和BAG3（一种宏自噬伴侣蛋白）表达驱动的。星形胶质细胞中BAG3的过表达本身对病理具有保护作用，并且BAG3在人类AD脑样本中的特定一组疾病相关激活星形胶质细胞中高度表达。研究结果表明，早期的星形胶质细胞活化可以在体内减轻tau和α-Syn的病理，而BMAL1的丧失则诱导了一种具有保护作用的星形胶质细胞活化状态。
全身性Bmal1删敲除阻止了P301S小鼠中的tau蛋白聚集
研究人员采用了全身性Bmal1基因敲除小鼠和P301S tau病理模型小鼠杂交，通过免疫组化IHC评估星胶增生及磷酸化水平，ELISA评估皮质组织中的可溶性和不溶性tau水平。结果提示，全身性Bmal1删除显著降低了不溶性tau聚集，而不影响总体tau或可溶性tau水平。这一效应在大脑的海马体和嗅皮质中也得到验证。
图1: 全身性Bmal1基因敲除减轻了tau病理
全身性Bmal1基因敲除减轻了P301S小鼠中小胶质细胞的激活
通过对皮层组织进行免疫组化染色，基因表达分析以及形态学评估，研究人员发现P301S小鼠小胶质细胞分支较少， CD68增加，表现出神经炎症标志物的上调，而这种变化在gKO：P301S小鼠中几乎不存在。而gKO小鼠的星形胶质细胞活化程度与P301S或gKO：P301S小鼠相似，这揭示了Bmal1基因的删除引发了早期星形胶质细胞活化，并可能在减轻tau聚集和小胶质细胞活化方面起到作用。
图2：在P301S小鼠中，全身性Bmal1基因敲除引发持续性星形胶质细胞活化，并且抑制了小胶质细胞的激活
全身性的Bmal1基因缺失抑制了α- Syn扩散病理和小胶质细胞活化
通过在α-Syn预成纤维（α-Syn PFF）模型中进行实验，研究人员发现全身性Bmal1基因缺失对α-Syn病理和小胶质细胞活化具有抑制作用。实验使用了CTRL和gKO小鼠，通过给予他们他莫昔芬处理后注射α-Syn PFFs到纹状体，研究结果显示，相比于对照组，gKO小鼠在纹状体和体感皮层中的磷酸化α-Syn病理减少，类似于之前的tau模型实验结果。此外，在PFF注射后，gKO小鼠的皮层中微胶质细胞活化和纹状体中微胶质细胞分支明显减少。这些结果说明，通过Bmal1基因缺失的全身性敲除，能够抑制α-Syn病理的扩散以及小胶质细胞的活化。
图3. 全身性Bmal1基因缺失抑制了α-突触核蛋白（aSyn）病理，并抑制了小胶质细胞的活化
星形胶质细胞特异性Bmal1基因删除可预防α-Syn和tau病理
研究人员构建了星形胶质细胞特异性Bmal1敲除小鼠（aKO）及小胶质细胞特异性的Bmal1 敲除小鼠（Cx3cr1-CreERT2+; Bmal1f/f），并使用α-Syn PFF模型，通过对皮层区域进行免疫荧光染色，发现，仅在星形胶质细胞中删除Bmal1足以减少α-Syn病理，且在病理启动之前的星形胶质细胞活化至关重要，而小胶质细胞中的Bmal1似乎对α-Syn的扩散没有重要影响。
图4.星形胶质细胞特异性的Bmal1删除足以诱导星形胶质细胞活化并防止P301S小鼠中的tau病理
图5. 在α-Syn PFF注射前进行星形胶质细胞特异性Bmal1删除足以防止扩散，但注射后则不行
Bmal1依赖的星形胶质细胞Bag3表达调节α-Syn的摄取
为了确定介导上述表型的可能分子机制，研究人员对已有的RNA-seq数据集，中显著差异表达基因（DEGs）进行了GO分析，发现了Bag3基因，这是宏噬嗜作用的已知驱动因子，且最近的一个全基因组关联研究发现它与帕金森病有关。研究人员确认了Bag3 mRNA在脑特异性Nestin-Bmal1 KO小鼠的皮层中也上调，但在神经元特异性Bmal1 KO小鼠中没有增加。
通过体内和体外实验，研究人员发现Bmal1在星形胶质细胞中的敲除导致Bag3表达上调，并增加了星形胶质细胞对α-Syn PFF的溶酶体摄取。使用小干扰RNA敲除Bmal1和Bag3，发现它们的共同敲除抑制了这种效应。此外，通过过表达Bag3，发现星形胶质细胞中Bag3的上调能够增加α-Syn PFF的溶酶体摄取。这些结果表明，Bmal1在星形胶质细胞中的缺失通过Bag3依赖的机制增加了α-Syn的降解。
图6. 星形胶质细胞中的BAG3在Bmal1之后调节α-Syn的摄取
星形胶质细胞中的BAG3在体内介导aSyn和tau的清除
接下来，研究人员利用三种AAV-PhP.eB病毒载体，将其注射到Bmal1f/f小鼠的纹状体中。结果显示，通过抑制BAG3表达的Cre-shBag3病毒导致tau的清除减少，而对照组则没有此效应。此外，通过在小鼠脑内广泛过表达BAG3，我们观察到BAG3能显著减少α-Syn的病理蛋白沉积。这些实验结果表明星形胶质细胞中的BAG3介导了tau和α-Syn的清除过程，并且暗示星形胶质细胞BAG3的表达是一种更普遍的神经胶质清除蛋白聚集物的机制。
图7. 星形胶质细胞中的BAG3在体内减少tau和α-Syn病理学的作用
BAG3在人类AD中的疾病相关星形胶质细胞中表达
通过分析多个AD脑库的数据，研究人员发现BAG3基因在人类AD中的表达增加，并且与临床痴呆相关。单细胞RNA测序数据显示，在人脑中，BAG3在星形胶质细胞中高表达，并且在一些微胶质细胞和内皮细胞中也有表达。通过单细胞RNA测序数据的分析，研究人员发现在ADAD患者中，BAG3的表达主要发生在ADAD的晚期阶段。此外，研究还发现BAG3的SNP（rs72840788）与发展PD的风险相关。因此，研究结果表明BAG3在人类AD的反应性DAA样星形胶质细胞中表达，并且星形胶质细胞中BAG3的SNP可能增加发展PD的风险。
图8. BAG3在人类AD中的疾病相关星形胶质细胞中表达
结论
总的来说，这项研究表明，通过删除Bmal1来激活星形胶质细胞可以诱导Bag3的表达，从而保护免受tau和α-Syn病理的影响。这为开发针对星形胶质细胞的治疗策略提供了新的视角和启示。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.05.006
参考文献
Sheehan PW, Nadarajah CJ, Kanan MF, Patterson JN, Novotny B, Lawrence JH, King MW, Brase L, Inman CE, Yuede CM, Lee J, Patel TK, Harari O, Benitez BA, Davis AA, Musiek ES. An astrocyte BMAL1-BAG3 axis protects against alpha-synuclein and tau pathology. Neuron. 2023 Jun 6:S0896-6273(23)00379-3. doi: 10.1016/j.neuron.2023.05.006. Epub ahead of print. PMID: 37315555.
编译作者：zouki（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
