夜雨聆风资源网-【科研团队】冷历歌/张杰教授团队揭示小胶质细胞与星形胶质细胞之间的线粒体转运新机制及其在改善阿尔茨海默病认知障碍中的作用

【科研团队】冷历歌/张杰教授团队揭示小胶质细胞与星形胶质细胞之间的线粒体转运新机制及其在改善阿尔茨海默病认知障碍中的作用

近日，厦门大学医学院神经科学研究所冷历歌教授和张杰教授团队在Nature Neuroscience发表题为“Microglial mitochondria transfer to astrocytes via GPNMB-enriched extracellular vesicles alleviates cognitive deficits in tauopathy mice”的研究论文，揭示了在tau病理条件下，GPNMB介导了小胶质细胞和星形胶质细胞之间的线粒体转运，其在小胶质细胞内通过与N-tau、Parkin/Nix形成复合物，调控线粒体自噬体的形成和外排，并通过GPNMB-CD44轴介导小胶质细胞向星形胶质细胞的定向线粒体转运，改善星形胶质细胞的能量代谢与功能，进而改善阿尔茨海默病的病理进程。

研究背景

阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）是一种以记忆缺失和认知功能缺损为核心特征的神经退行性疾病，其主要病理标志为细胞外β-淀粉样蛋白沉积形成的老年斑，细胞内tau蛋白过度磷酸化所致的神经纤维缠结和脑萎缩。65岁以上老年人群为AD高发群体，随着全球老龄化加剧，预计到2030年全球AD患者将突破1亿，然而迄今为止，其确切发病机制尚未阐明，治疗手段仍极度匮乏，不仅给患者带来深重痛苦，也给社会和家庭造成沉重负担。

近年来，Tau病理与AD疾病进程的关系日益凸显，针对Tau病理的AD机制解析和干预措施也逐渐成为AD研究的热点，其中Tau病理下线粒体损伤机制越来越受到重视。线粒体作为一个重要的能量生成细胞器，可以通过细胞外囊泡、隧道纳米管、缝隙连接等途径在细胞间发生转移，但线粒体转运的分子调控机制尚不完全清楚。既往已经有研究发现神经系统内的多种细胞之间可以传递线粒体，但小胶质细胞和星形胶质细胞之间的线粒体转运尚鲜有报道。

该团队通过对公开数据库中患者与对照人群脑组织、脑脊液的蛋白组学及转录组学数据进行系统筛选，鉴定出GPNMB（Gpnmb）是AD中的核心蛋白（基因），同时也是AD中小胶质细胞转录改变的枢纽基因，其表达在多种AD小鼠模型中均显著上调。免疫荧光实验显示，GPNMB在5×FAD小鼠脑中主要表达于小胶质细胞，而在PS19小鼠脑中却主要定位于星形胶质细胞。为明确其细胞表达特异性，团队进一步应用RNA scope技术检测，发现PS19小鼠脑中的GPNMB同样由小胶质细胞产生，并以细胞外囊泡（EVs）的形式转移至星形胶质细胞。体外实验进一步发现，GPNMB可区分AD中两种最重要的病理特征-Aβ与Tau。Aβ不能刺激小胶质细胞分泌GPNMB，而Tau可显著诱导其分泌，并通过细胞外囊泡途径转运至星形胶质细胞。

图1.在5×FAD小鼠中，GPNMB主要定位于小胶质细胞中，而在PS19小鼠中，GPNMB主要定位在星形胶质细胞中

为深入探究GPNMB在Tau病理下的功能，该团队构建了tau病理背景下小胶质细胞条件性敲除GPNMB的三转小鼠。结果显示，该三转小鼠的认知损伤与病理进程较PS19小鼠进一步恶化，提示GPNMB在两种胶质细胞间的定向转运中发挥着保护性的作用。更为重要的是，团队发现上述囊泡中还携带有线粒体，而当GPNMB缺失时，小胶质细胞向星形胶质细胞转运的囊泡中线粒体几乎完全消失。这表明GPNMB是两种胶质细胞间线粒体转运的必要条件，其介导了小胶质细胞向星形胶质细胞的细胞外囊泡装载型线粒体转运。

为解析PS19小鼠中GPNMB与线粒体的细胞间转移机制，该团队开展了系列体外实验。结果发现，小胶质细胞的溶酶体能较为完全地降解Aβ，但N端tau在进入溶酶体前即被切割，从而逃避了溶酶体降解。N端tau与线粒体表面的Parkin/Nix及线粒体外膜上的GPNMB形成复合物，促进线粒体自噬体的形成。值得注意的是，这些线粒体自噬体并未与溶酶体融合降解，而是以囊泡形式分泌出细胞，从而实现GPNMB的外排及线粒体的细胞间转移。

针对囊泡为何特异性靶向星形胶质细胞，该团队进一步研究发现，GPNMB广泛分布于多种膜性结构上，包括线粒体外膜、自噬体膜及细胞膜等。在自噬体包裹线粒体形成线粒体自噬体的过程中，分布于自噬体膜上的GPNMB定位于囊泡表面，而分布于线粒体表面的GPNMB则与N-tau及Parkin/Nix形成复合物，激活LC3和P62等分子，驱动线粒体自噬进程，并随线粒体一同包裹于囊泡内部。囊泡从小胶质细胞分泌后，其表面的GPNMB通过与星形胶质细胞上的受体CD44结合，介导细胞外囊泡向星形胶质细胞的特异性转移。

图2.GPNMB介导的小胶质细胞和星形胶质细胞之间的线粒体转运机制图

为进一步明确携带GPNMB和线粒体的细胞外囊泡对星形胶质细胞功能及AD病理进程的影响，该团队首先通过流式分析、ATP检测及JC1实验对细胞外囊泡进行了表征，证实其转移的线粒体为功能完整的线粒体。随后，通过星形胶质细胞的Seahorse能量代谢分析，发现该细胞外囊泡的转移可显著改善星形胶质细胞的能量代谢。最终，团队向PS19小鼠给予富含GPNMB和线粒体的细胞外囊泡，成功改善了其认知损伤与病理进程。

团队从机制层面阐明了在AD中，GPNMB在小胶质细胞与星形胶质细胞的线粒体交互中发挥关键调控作用，并发现GPNMB驱动的胶质细胞间线粒体转运可改善星形胶质细胞的代谢与功能，进而缓解AD病理进程。该工作为理解AD中的细胞间互作机制提供了新视角，也为基于此机制的AD治疗策略开发提供了全新的干预靶点。