唐氏综合征相关基因USP25调控阿尔茨海默病理新机制

文章概述

唐氏综合征（Down syndrome, DS），又称21三体综合征，是一种最常见的智力障碍疾病。已有的研究表明，DS是早发性阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）的重要危险因素之一，几乎所有的DS患者在40岁时都表现出AD神经病理，大约2/3的DS患者在60岁时出现AD症状。21号染色体编码的基因在AD发病机制中起着关键作用，包括引起淀粉样蛋白前体（Amyloid Precursor Protein, APP）的基因拷贝数增加、促进病理性淀粉样蛋白生成等。21号染色体上的泛素特异性蛋白酶USP25的基因能够调节AD中小胶质细胞稳态，但是，USP25是否会影响淀粉样蛋白的病理过程目前仍不清楚。2022年3月1日，厦门大学以及温州医科大学的研究团队在《The Journal of Clinical Investigation》期刊上发表题为“USP25 inhibition ameliorates Alzheimer’s pathology through the regulation of APP processing and Aβ generation”的研究论文，该文章证实，USP25可通过减少APP和BACE1（APP剪切酶）的泛素化以及溶酶体降解，促进了APP的剪切以及Aβ的生成。该研究的结果揭示了从DS发展到AD的关键机制，同时提供了一种潜在的改善AD病理的新策略。

核心观点

1、21号染色体三体加重了5×FAD小鼠（一种AD小鼠模型）大脑中的淀粉样蛋白病变；

2、过表达USP25增加了5×FAD小鼠脑内淀粉样蛋白沉积，而USP25基因缺失则减少了小鼠脑内淀粉样蛋白沉积；

3、USP25通过减少APP和BACE1的泛素化以及溶酶体降解，从而促进APP的切割和Aβ的生成；

4、利用药理学手段抑制USP25可以改善5×FAD小鼠大脑中淀粉样蛋白病理。

研究结果分析

1. USP25基因拷贝数增加可加重AD小鼠淀粉样蛋白的病理改变

为了研究21号染色体三体是否影响了AD的病理，研究者通过利用5×FAD 小鼠和Dp16 小鼠（一种DS小鼠模型）进行杂交，形成了一种DS-AD联合小鼠模型。利用免疫印迹分析证实，与5×FAD 小鼠相比，DS-AD小鼠皮质中USP25、APP和APP-羧基末端片段（APP- CTFs）的表达明显上调。组织免疫荧光结果显示，在5月龄的DS-AD小鼠海马中，病理性的淀粉样斑块沉积更加显著。考虑到USP25 基因位于21号染色体上，为了确定USP25是否影响DS-AD背景下的淀粉样蛋白病理，研究者5×FAD小鼠与BAC-Tg-USP25小鼠（USP25过表达小鼠）杂交。组织免疫荧光结果显示，在6月龄的5×FAD:BAC-Tg-USP25小鼠海马中，其病理性淀粉样蛋白斑块数量较5×FAD小鼠显著增加，这表明将USP25基因本身拷贝数上调就足以加重AD小鼠的Aβ的病理。

2. Usp25基因缺陷可缓解AD小鼠淀粉样蛋白病理

与同窝野生型（Wild Type, WT）小鼠相比，Usp25 -/-小鼠没有表现出体重和认知行为异常。但是，对于Usp25基因缺陷是否会影响淀粉样病变仍是未知的。通过将Usp25+/-小鼠与5×FAD小鼠杂交，产生了5×FAD:Usp25+/-小鼠。研究者评估了5×FAD:Usp25+/-小鼠的学习记忆能力，发现Usp25基因缺陷改善了AD小鼠在水迷宫测试和条件恐惧测试中的认知表现。随后，研究者检测了AD小鼠淀粉样蛋白斑块沉积情况，与5×FAD 小鼠相比，6月龄的5×FAD:Usp25+/-小鼠皮质和海马中淀粉样蛋白斑块沉积减少；并且通过ELISA检测到，AD小鼠Usp25下调能够显著降低皮层和海马中可溶性Aβ40和Aβ42的水平。此外，高尔基染色结果显示，5×FAD小鼠皮质中树突棘存在缺陷，而5×FAD:Usp25+/-小鼠中得到恢复。这些结果表明，Usp25表达下调能够缓解5×FAD小鼠的淀粉样蛋白病理和突触缺陷。

3. USP25能够调节淀粉样蛋白APP的加工过程

Aβ的产生源于β和γ分泌酶对跨膜前体APP的剪切。为了确定USP25下调引起的淀粉样蛋白沉积的减少是否源于APP加工过程的改变，研究者通过免疫印迹分析对APP加工通路中各种蛋白表达进行了表征。结果显示，Usp25缺乏降低了6月龄5×FAD:Usp25+/-小鼠皮质中APP及其剪切产物（α-和β- CTFs）的水平；而过表达USP25显著增加了6月龄BAC- Tg-USP25小鼠皮质中APP和BACE1的表达。

与在体实验结果一致，在人源过表达APP的SH-SY5Y-APP751细胞中，敲除USP25能够显著减少细胞内Aβ40和Aβ42的分泌。此外，敲除USP25能够减少APP、APP-CTFs、sAPPβ、BACE1的表达。另外，在APP过表达HEK293T细胞中过表达USP25能提高APP蛋白水平。抑制溶酶体降解能够废除过表达USP25所引起APP的改变。并且过表达USP25还会导致BACE1的表达增加，而过表达泛素则会降低BACE1表达水平，这表明USP25通过BACE1的泛素化来调控BACE1的表达。这些结果表明，USP25通过上调淀粉样蛋白加工通路的各种成分，如APP和BACE1，来增加Aβ的积累。

4.  USP25促进BACE1的去泛素化和APPβ的剪切

为了确定USP25调控APP加工和Aβ生成的潜在分子机制，研究者进一步验证了USP25与APP以及BACE1之间的相互作用。USP25过表达减少了APP多聚泛素化的数量，而USP25敲除增加了BACE1多聚泛素化的水平。并且通过耗竭USP25介导的APP和BACE1降解可被抑制蛋白酶体和溶酶体降解途径所逆转。

此外，研究者利用梯度蔗糖进行了亚细胞分离，发现USP25过表达增加了BACE1在高尔基体中的积累。为了进一步证实USP25对BACE1转运的影响，研究者利用质膜分离实验，观察到USP25过表达显著减少了细胞表面BACE1的分布，进一步的免疫染色分析显示，过表达USP25后，BACE1进入RCAS1阳性高尔基体比例增加，BACE1与APP共定位的比例增加。这些研究结果表明APP和BACE1是USP25底物，这些成分的转运/加工可以通过USP25介导的去泛素作用来调控。

5.  抑制USP25可改善AD小鼠的淀粉样病变

研究者利用重组的USP25体外催化系统找到了一个可以强力抑制USP25酶活性的化合物AZ1。进一步的免疫印迹分析证实，AZ1能够显著降低了5×FAD小鼠皮质中APP和APP- CTFs的含量。为了评价抑制USP25对体内淀粉样蛋白沉积的作用，研究者在5×FAD小鼠腹腔连续注射USP25抑制剂AZ1（20 mg/kg/d，28天）。随后，通过组织学分析，观察到注射AZ1的5×FAD小鼠大脑中淀粉样蛋白斑块的数量有所减少。并且，AZ1也会减少LAMP1和ATG9A表达阳性的营养不良神经突的数目。这些结果表明，通过药物抑制USP25活性可以改善AD小鼠模型中淀粉样蛋白的负荷。

6. USP25的表达与AD患者大脑病理变化相关

研究者进一步利用AD患者和年龄相匹配的对照组的临床尸检样本比较了大脑中USP25表达水平，偶发性AD患者大脑中USP25蛋白的水平与对照组并无差别；然而利用Spearman相关分析发现，AD患者皮质中USP25和APP、BACE1以及Aβ42之间的量存在正相关。提示USP25介导的淀粉样蛋白通路在AD发病机制中的潜在作用。

总结

亮点研究方法