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Alzheimers & Dementia:袁增强研究团队首次证实抑郁症可增加阿尔茨海默症风险

抑郁症和痴呆症分别是年轻人和老年人最常见的两种脑部疾病。值得一提的是,这两种疾病有许多相似的病理特征,包括神经发生减少、细胞凋亡增加和活性氧增加,而且它们都伴有慢性神经炎症。虽然多项临床研究表明,抑郁症与阿尔茨海默病(AD)的发病呈正相关,但抑郁症促进阿尔茨海默病的细胞和分子机制仍不清楚。

 

钙稳态调节蛋白(CALHM)是一种电压门控钙离子通道,也是主要的ATP释放通道。近期的研究表明,CALHM家族蛋白在维持哺乳动物的生理功能方面发挥着重要作用,而其功能缺陷会导致神经系统疾病,包括阿尔茨海默病和抑郁症。之前的研究发现,Calhm2蛋白的水平在AD小鼠模型中显著升高;星形胶质细胞中Calhm2的缺失会诱发小鼠抑郁样行为。这些结果提示,CALHM家族蛋白在抑郁症和阿尔茨海默病的发病过程中起着关键作用。

 

近日,军事医学研究院袁增强课题组在神经科学领域顶刊《Alzheimers & Dementia》杂志上发表论文,表明CALHM2 V136G突变通过破坏星形胶质细胞的ATP释放而参与了抑郁症和阿尔茨海默病的发生,为抑郁症和痴呆相关疾病的治疗提出了一种潜在的策略。

 

袁增强研究团队首次证实抑郁症可增加阿尔茨海默症风险

图片来源:《Alzheimers & Dementia

https://doi.org/10.1002/alz.13366

 

研究材料与方法

这项研究招募了932例AD患者和1350例匹配对照,并开展了基因分型分析。为了研究CALHM2的功能,研究人员委托赛业生物构建了Calhm2 V136G基因敲入小鼠,并检测小鼠大脑组织的ATP释放和海马体的神经可塑性。之后,他们还开展了一系列小鼠行为学实验,包括强迫游泳实验、悬尾实验、糖水偏好实验、莫里斯水迷宫实验和新物体识别实验等。

 

技术路线

01通过基因分型分析发现CALHM2中的SNP rs232660与AD显著相关

02Calhm2 V136G突变破坏ATP释放通道,导致大脑中星形胶质细胞的ATP释放减少

03Calhm2 V136G小鼠的神经元功能受损,出现类似抑郁的行为,而补充ATP可挽救突变小鼠的抑郁行为表型

04Calhm2 V136G小鼠在年老后出现类似痴呆的表型

 

研究结果

1.CALHM2 V136G突变与AD相关

之前的研究发现Calhm2在小鼠的抑郁和AD样症状发生中起重要作用。为了确定CALHM2在人类疾病中的功能意义,研究人员对932例AD患者和1350例匹配对照开展了CALHM2基因分型。他们发现,CALHM2中的SNP rs232660与AD显著相关。rs232660多态性位于CALHM2基因座的3号外显子内,导致第136位氨基酸位点的缬氨酸被替换为甘氨酸(V136G)。

 

2.Calhm2 V136G突变破坏ATP释放通道

考虑到CALHM2 V136G与AD的临床相关性,研究人员接下来分析了这个突变如何影响CALHM2的生物学功能。他们推测,V136G突变可能会导致CALHM2蛋白的细胞外结构域(ECD)发生构象改变,更重要的是,ECD与S1-S2 linker直接接触,这被认为是CALHM2通道门控功能的关键,因此,V136G诱导的ECD构象改变很可能会影响通道门控。他们用过表达WT-Calhm2或V136G-Calhm2的质粒转染HEK293T细胞,发现在过表达WT-Calhm2的细胞培养基中,ATP水平显著升高,而在过表达V136G-Calhm2的细胞中,ATP升高几乎消失(图1),表明V136G突变破坏了CALHM2蛋白的ATP释放通道,大大影响了其功能。

 

袁增强研究团队首次证实抑郁症可增加阿尔茨海默症风险

Calhm2 V136G对ATP释放的影响[1]

 

同时,CALHM2的氨基酸序列(包括V136)在多个物种中高度保守,包括人类和小鼠。为了进一步研究该突变的功能,他们构建了Calhm2 V136G基因敲入小鼠(由赛业生物提供,图1)。与WT小鼠相比,他们观察到Calhm2 V136G小鼠星形胶质细胞的细胞外ATP水平显著下降,表明Calhm2 V136G突变会减少大脑中星形胶质细胞的ATP释放,这可能导致神经系统疾病的发生。

 

3.Calhm2 V136G小鼠表现出抑郁样表型

为了研究Calhm2 V136G诱导的ATP减少对神经可塑性的影响,研究人员接下来对海马体CA1区的树突棘密度进行了分析。与WT小鼠相比,Calhm2 V136G小鼠的树突棘密度急剧下降,且粗短状(stubby)或蘑菇状(mushroom)树突棘明显减少(图2)。与树突棘形态分析的结果相一致,Calhm2 V136G小鼠表现出明显的海马长期电位(LTP)缺陷。这些结果表明,Calhm2 V136G突变会损害神经元功能。

 

袁增强研究团队首次证实抑郁症可增加阿尔茨海默症风险

Calhm2 V136G突变破坏神经可塑性[1]

 

之后,他们对2月龄的成年雄性小鼠开展了行为分析。与WT对照小鼠相比,Calhm2 V136G小鼠在强迫游泳实验和悬尾实验中的不动时间更长。同样地,在糖水偏好实验中,Calhm2 V136G小鼠的蔗糖偏好和摄入量也低于WT小鼠,说明Calhm2 V136G突变导致小鼠出现类似抑郁的行为。

 

研究人员接下来向小鼠腹腔注射ATP,看看ATP的补充是否可以挽救这些突变小鼠的抑郁行为表型。与注射生理盐水的小鼠相比,注射ATP的Calhm2 V136G小鼠在强迫游泳实验和悬尾实验中的挣扎事件明显延长,且对蔗糖的偏好和摄入明显增加。此外,在Calhm2 V136G小鼠的双侧海马中注射ATP后,这些突变小鼠在强迫游泳实验和悬尾实验中的不动时间显著减少,证明了ATP的直接抗抑郁作用。由此可见,外源性ATP补充可以缓解Calhm2 V136G小鼠的抑郁样行为。

 

4.Calhm2 V136G突变损害老年小鼠的认知功能

Calhm2 V136G小鼠既然会长期出现抑郁样症状,那么在其年老之后是否会出现类似痴呆的表型?带着这个问题,研究人员对中年(10月龄)和老年(18月龄)Calhm2 V136G小鼠进行了莫里斯水迷宫实验。与年龄匹配的WT小鼠相比,10月龄的Calhm2 V136G小鼠未出现明显的空间学习或记忆缺陷。然而,18月龄突变小鼠的上台时间(逃逸潜伏期)更长(图3),表明Calhm2 V136G小鼠在老年阶段更容易出现认知能力下降。与此结果相一致,18月龄突变小鼠在新物体识别实验中对新物体没有表现出任何偏好。这些结果显示,Calhm2 V136G突变会损害老年小鼠的认知功能,从而表明CALHM2是抑郁症和痴呆症之间的重要关联。

 

袁增强研究团队首次证实抑郁症可增加阿尔茨海默症风险

Calhm2 V136G小鼠在年老时表现出认知缺陷[1]

 

研究结论

研究人员此次发现,与正常人相比,AD患者中的CALHM2 SNP rs232660发生率明显增加。SNP rs232660导致V136G替换,破坏星形胶质细胞和大脑组织中的ATP释放,并分别诱发成年小鼠和老年小鼠的抑郁样行为和认知能力下降。注射ATP可挽救Calhm2 V136G小鼠的抑郁样表型。这些分析提供了强有力的证据,支持抑郁症是痴呆症的风险因素,并表明CALHM功能缺陷是这两种疾病发生的共同促进因素。

 

原文检索:

[1]Liao Y,Wang Y, TaoQ-Q, et al. CALHM2 V136G polymorphism reduces astrocytic ATP release and is associated with depressive symptoms and Alzheimer’s disease risk. Alzheimer’s Dement. 2023;1-14. https://doi.org/10.1002/alz.13366

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