Brain: Cdc42GAP缺乏导致阿尔茨海默病样表型
阿尔茨海默病（AD）是一种常见的慢性神经系统退行性疾病。近年来研究显示，突触（树突棘）丢失是导致AD认知障碍的主要原因。Cdc42是小G蛋白Rho亚家族的成员，在调节突触可塑性中起着重要作用。不过，目前很少有研究关注Cdc42在阿尔茨海默病进展中的作用。近日，来自南方医科大学广东省功能蛋白质组学重点实验室的张璐教授团队发表了题为“Cdc42GAP deficiency contributes to the Alzheimer’s disease phenotype”的文章，展示了课题组最新的研究成果。该研究旨在探索Cdc42信号传导的激活是否与阿尔茨海默病样表型有关。
Cdc42GAP缺乏损害认知和空间记忆
研究者收集了11个月大的野生型（WT）小鼠、GAP（Cdc42GAP缺陷小鼠，即Cdc42GAP敲除杂合小鼠）和AD小鼠的海马体和皮层组织，以检测Cdc42信号分子。结果显示， GAP小鼠和AD小鼠的海马体和皮层中活化的Cdc42均显著增加；且Cdc42信号通路下游PAK和cofilin的磷酸化水平均有所升高，表明Cdc42GAP缺陷小鼠和AD小鼠中Cdc42的信号传导通路均发生活化。
此外，研究者将GAP小鼠与AD小鼠杂交，创建了同时具有AD小鼠表型和Cdc42GAP缺陷的GAP/AD小鼠，并使用4和11个月大的小鼠（分别代表年轻和老年阶段），探讨Cdc42GAP缺乏对认知功能的影响。在新物体识别测试中，GAP/AD小鼠认知功能最差，表现为与新物体互动时间更少，互动频率也更低（图1B-C）。而且，老年GAP小鼠表现出比年轻小鼠更严重的识别和记忆障碍。
这些结果表明，Cdc42GAP缺乏会导致认知功能障碍，这种障碍可能会随着年龄的增长而恶化。在被动回避测试中，也发现与上述新体物识别测试类似的结果，表明Cdc42GAP缺乏与识别和记忆功能障碍也有关系。在Morris水迷宫实验中，GAP和GAP/AD小鼠在定位巡航实验和延迟期的反向试验中都显示出穿越目标象限平台的次数减少（图1H-I），年长的GAP小鼠的表现比年轻GAP小鼠差，表明Cdc42GAP缺乏可能会损害空间记忆功能。
图1 Cdc42GAP 缺乏导致认知异常，随着年龄的增长，
出现更严重的行为缺陷
Cdc42GAP缺乏诱导神经元衰老和树突棘变性并伴有F-肌动蛋白解聚
研究者以神经元衰老标志物SA-β-gal评估Cdc42GAP缺乏在神经元衰老中的作用。结果显示，年轻GAP小鼠的海马和皮层神经元中SA-β-gal水平显著升高，GAP/AD小鼠衰老更显著，而且年老GAP/AD小鼠的衰老程度明显更严重，表明Cdc42GAP缺乏诱导并加速了神经元衰老（图2）。
此外，研究者探索了Cdc42GAP在视觉皮层锥体和海马两个脑区神经元树突棘可塑性中的作用。结果发现，Cdc42GAP缺乏会导致小鼠海马和皮层突触可塑性的长期损伤。通过检测年老小鼠海马和皮层中神经元树突棘的F-肌动蛋白和G-肌动蛋白，发现GAP和AD小鼠的海马和皮层中F-/G-肌动蛋白的比例显著降低，表明Cdc42GAP缺乏诱导F-肌动蛋白解聚。
图2 Cdc42GAP缺乏诱导神经元衰老
Cdc42GAP缺乏诱导并加速tau磷酸化和淀粉样蛋白β的产生
接下来，研究者使用年老小鼠研究Cdc42GAP缺乏在tau磷酸化和Aβ产生中的作用。免疫荧光分析显示，GAP小鼠的海马和皮层中的tau磷酸化（p-T231/AT8）水平显著升高（图3）。与GAP和AD小鼠相比，GAP/AD小鼠中的tau过度磷酸化进一步增加，表明Cdc42GAP缺乏可能有助于tau磷酸化的进展。另外，GAP/AD小鼠的Aβ1-42和Aβ1-40水平显著升高。这些结果表明，Cdc42GAP缺乏诱导并加速tau磷酸化和Aβ1-40和Aβ1-42的产生。
图3 Cdc42GAP缺乏在11个月大的小鼠中诱导阿尔茨海默病表型
Cdc42GAP缺乏可能通过激活GSK-3β诱导阿尔茨海默病表型
为探索Cdc42GAP缺陷小鼠阿尔茨海默病表型的潜在机制，研究者对年老WT和GAP小鼠的海马进行了定量磷酸化蛋白质组学分析。结果发现，GAP小鼠微管相关蛋白tau（Mapt）许多位点发生磷酸化，说明GAP小鼠的海马和皮层中tau磷酸化水平显著升高。接下来，研究者发现GAP、AD和GAP/AD小鼠的海马和皮层中磷酸化GSK-3βSer-9的磷酸化水平降低，而且GAP/AD小鼠磷酸化GSK-3βSer-9的磷酸化水平低于AD小鼠。研究者进一步通过蛋白质印迹和免疫荧光分析了GSK-3β在Ser-389、Ser-9和Tyr-216的活性。
结果发现，GAP、AD和GAP/AD小鼠的海马和皮层中磷酸化GSK-3βSer-9的水平降低；GAP、AD和GAP/AD小鼠的海马和皮层中磷酸化GSK-3βTyr-216的水平增加，其中GAP/AD鼠皮层中的Tyr-216水平高于GAP和AD鼠。这些结果表明Cdc42GAP缺乏通过Ser-9、Ser-389处去磷酸化和/或在Tyr-216处磷酸化来激活GSK-3β，从而诱导并加速海马和皮层中的阿尔茨海默病样表型。
Cdc42 GTPase的持续激活诱导tau过度磷酸化和突触丢失
为验证Cdc42GAP缺乏在tau过度磷酸化和树突棘丢失中的机制，研究者通过操纵Cdc42GTP酶的活性发现，与对照组相比，GAP、AD和GAP/AD小鼠的tau磷酸化水平增加，表明Cdc42 GTP酶活性升高可能是阿尔茨海默病tau过度磷酸化的原因。接下来，研究者通过分析小鼠海马和皮层突触的可塑性发现，Cdc42水平升高诱导海马和皮层神经元衰老水平升高，Cdc42 GTPase活性升高与阿尔茨海默病样突触可塑性削弱有关。
阿尔茨海默病患者大脑皮质切片中Cdc42信号通路和GSK-3β被激活
此外，研究者收集了AD患者和健康对照（HC）大脑的皮质石蜡切片标本，并通过免疫化学染色评估Cdc42信号通路和GSK-3β活性。结果发现，AD患者皮层中的Cdc42-GTPase与HC相比显著增加，磷酸化-cofilin（p-cofilin（Ser-3））和磷酸化-PAK1（p-PAK1（Ser-199））水平也有所增加，表明激活的Cdc42信号通路可能导致人类阿尔茨海默病相关神经元退行性改变（图4）。此外，Aβ1-40、Aβ1-42和APP代谢产物CTFs在AD患者中显著升高，表明Cdc42GAP缺乏活化了Cdc42信号通路，激活的GSK-3β在阿尔茨海默病患者中起着至关重要的作用。
图4 阿尔茨海默病患者的皮层中Cdc42通路和GSK-3β活性被激活
总结
该研究发现Cdc42GAP缺乏在4个月大和11个月大的小鼠中诱导了认知功能障碍和突触（树突棘）丢失，并随着年龄的增长有所恶化；tau磷酸化和Aβ的产生也有所增加，这与AD小鼠的表型一致。另外，研究者发现在AD小鼠中Cdc42-GTPase活性升高，同时伴有Cdc42-PAK1-cofilin信号通路激活。通过对11个月大GAP小鼠海马的定量磷酸化蛋白质组学分析，结果表明GSK-3β活性的升高可能与tau异常磷酸化和Aβ增加这些病理损伤有关。更重要的是，Cdc42-GTPase通路和GSK-3β活性在AD患者中也被激活。
这些结果表明，Cdc42GAP缺乏引起的Cdc42活性增加可能通过激活GSK-3β诱导阿尔茨海默病样表型，导致阿尔茨海默病的认知功能缺陷。因此，Cdc42可能是改善阿尔茨海默病认知功能障碍的治疗靶点。
参考文献：
Zhu, M., Xiao, B., Xue, T., Qin, S., Ding, J., Wu, Y., Tang, Q., Huang, M., Zhao, N., Ye, Y., Zhang, Y., Zhang, B., Li, J., Guo, F., Jiang, Y., Zhang, L., & Zhang, L. (2023). Cdc42GAP deficiency contributes to the Alzheimer's disease phenotype. Brain : a journal of neurology, awad184. Advance online publication. https://doi.org/10.1093/brain/awad184
编译作者: Charlie Brown (Brainnews创作团队)
校审: 神经小子 (Brainnews编辑部)
