腦類(lèi)器官能夠模擬人腦復(fù)雜的細(xì)胞和結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)允許類(lèi)似于大腦中發(fā)現(xiàn)的多種細(xì)胞類(lèi)型的發(fā)育。腦類(lèi)器官的構(gòu)建表現(xiàn)出類(lèi)似于人腦的神經(jīng)連接、突觸形成和電活動(dòng)，促進(jìn)了神經(jīng)元相互作用的研究。去年10月，來(lái)自新加坡的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將小膠質(zhì)細(xì)胞整合到實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的大腦類(lèi)器官中，以模擬出人類(lèi)大腦發(fā)育的復(fù)雜環(huán)境，分析了小膠質(zhì)細(xì)胞是如何影響腦細(xì)胞的生長(zhǎng)和發(fā)育，這項(xiàng)研究代表了人類(lèi)大腦類(lèi)器官發(fā)展的重大飛躍。

近日，來(lái)自美國(guó)紐約干細(xì)胞研究所的研究人員通過(guò)構(gòu)建人腦類(lèi)器官，揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞在衰老和帕金森病（PD）中的致病作用以及潛在的治療策略。該研究題為“Disruption of lysosomal proteolysis in astrocytes facilitates midbrain organoid proteostasis failure in an early-onset Parkinson’s disease model”，發(fā)表在Nature Communications雜志。研究人員發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的蛋白質(zhì)在調(diào)節(jié)缺乏PD相關(guān)的蛋白質(zhì)DJ1時(shí)會(huì)發(fā)生異常。

DOI：10.1038/s41467-024-44732-2

衰老是罹患阿爾茨海默病 (AD) 和帕金森病 (PD) 等神經(jīng)退行性疾病的最強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，研究衰老的生物學(xué)機(jī)制及其如何與神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)展相互關(guān)聯(lián)是一個(gè)值得深耕的研究領(lǐng)域。眾所周知，晚期糖基化終末產(chǎn)物 (AGE) 在核苷酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)上的積累會(huì)損害細(xì)胞功能，并且這也是一個(gè)正常的、不可阻止的衰老特征。此外，最近的研究揭示了蛋白質(zhì)質(zhì)量控制和自噬是散發(fā)性帕金森病的趨同疾病驅(qū)動(dòng)途徑。

通過(guò)功能喪失 (LOF) 突變，PARK7基因編碼的蛋白質(zhì) DJ1與早發(fā)性 PD 的發(fā)展存在因果關(guān)系，但 DJ1 功能的降低如何促進(jìn) PD 發(fā)病機(jī)制尚不清楚。在本項(xiàng)研究中，作者利用一套全面的檢測(cè)方法來(lái)研究源自患者的人腦組織和 DJ1 LOF 類(lèi)器官 iPSC 模型的代謝功能。

為了模擬 DJ1 LOF 對(duì)中腦 PD 病理學(xué)的影響，研究人員構(gòu)建了人類(lèi)中腦類(lèi)器官（hMIDO）。中腦中α-syn的聚集是 PD 的標(biāo)志。研究人員發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)到第200天時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)急劇增加，且老化的DJ1 KO hMIDO的單體磷酸化α-syn水平也顯著增加。

圖1. DJ1 KO 人中腦類(lèi)器官的構(gòu)建

由于溶酶體途徑對(duì)于多種形式的自噬至關(guān)重要，并且已知其可處理α-syn單體和聚集體，因此作者通過(guò)抑制溶酶體酸化來(lái)阻斷溶酶體活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)自噬系統(tǒng)無(wú)法補(bǔ)償 DJ1 KO hMIDO 中更高一代的聚集體，總體上導(dǎo)致了寡聚α-syn的積累。

圖2. DJ1 KO 人中腦類(lèi)器官的α-syn和自噬表型

由于氧化損傷會(huì)損害蛋白質(zhì)組的穩(wěn)定性和細(xì)胞活力，并且通過(guò)晚期糖基化終產(chǎn)物 (AGE) 的積累可以驅(qū)動(dòng)神經(jīng)退行性變。于是研究人員檢測(cè)了人中腦類(lèi)器官中甲基乙二醛衍生的氫咪唑酮 (MGH) 水平，這是一種最初的高級(jí)糖化修飾。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MGH 蛋白糖化在第 100 天和第 200 天 DJ1 KO hMIDO 中顯著積累。

圖3：DJ1 KO 中腦類(lèi)器官的蛋白質(zhì)糖化增加

星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦中主要的糖酵解細(xì)胞類(lèi)型，因此比神經(jīng)元和其他腦細(xì)胞類(lèi)型遭受糖化損傷的風(fēng)險(xiǎn)更高。由于星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)于神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)元來(lái)源的受損脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的降解至關(guān)重要，因此研究人員接下來(lái)分析了中腦類(lèi)器官中星形膠質(zhì)的細(xì)胞功能。分析結(jié)果表明 DJ1 在星形膠質(zhì)細(xì)胞中具有顯著的神經(jīng)保護(hù)作用，并且 PD 相關(guān)的 DJ1 LOF 變異通過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)變性。

圖4：星形膠質(zhì)細(xì)胞 DJ1 LOF 具有反應(yīng)性并在中腦中產(chǎn)生毒性

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)組不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥、反應(yīng)性和細(xì)胞因子釋放。由于聚集蛋白的降解（定義為自噬通量）在神經(jīng)退行性疾病的早期階段上調(diào)。因此，作者試圖確定 DJ1 LOF 星形膠質(zhì)細(xì)胞中觀察到的蛋白質(zhì)聚集體的積累是否是由于自噬受損或自噬通量增加的能力降低所致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比， DJ1 KO組核周內(nèi)切酶/溶酶體有所減少，并且星形膠質(zhì)細(xì)胞中的蛋白水解受損。

圖5：DJ1 功能喪失會(huì)損害星形膠質(zhì)細(xì)胞的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)

總而言之，該數(shù)據(jù)表明，DJ1 功能喪失會(huì)降低溶酶體能力，導(dǎo)致有毒形式的突觸核蛋白積累并增加神經(jīng)元細(xì)胞死亡。

蛋白質(zhì)質(zhì)量控制失敗和蛋白質(zhì)組損傷是幾種神經(jīng)退行性疾病的共同特征。根據(jù)作者對(duì)早發(fā)型 PD DJ1 模型的研究，提出假設(shè)——糖化產(chǎn)物的積累會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)降解、修復(fù)系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過(guò)重而引發(fā)損害，最終造成蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失敗。此外，由于星形膠質(zhì)細(xì)胞的非有氧糖酵解程度較高，因此特別容易受到這種氧化損傷。

綜上，本研究表明星形膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙、糖化和廣泛的蛋白質(zhì)聚集是家族性 DJ1 相關(guān) PD 的基本表型，為開(kāi)發(fā)更有效的神經(jīng)退行性疾病治療方法指明了策略。

參考文獻(xiàn)：

1. https:///10.1038/s41586-023-06713-1

2. https:///10.1038/s41467-024-44732-2