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Science子刊：睡眠不足如何让人变傻：明星分子TREM2让小胶质细胞对Aβ“贪多嚼不烂”，降低Aβ清除能力

临床研究

2023-12-21

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关键词：阿尔茨海默病；蛋白质组学

引言：

表达在小胶质细胞的触发受体2（triggering receptor expressed on myeloid cells 2, TREM2）是一种主要在小胶质细胞上表达的免疫调节受体。

小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）的主要免疫细胞，对维持神经系统的健康和功能至关重要。

TREM2在调节小胶质细胞的活化和功能中发挥关键作用，尤其是在神经退行性疾病的背景下。

不规律的睡眠模式与患上与神经退行性疾病相关痴呆症的风险增加有关，睡眠不足对记忆和大脑中废物清除的影响等已成为共识。

已有工作指出小鼠和人类的急性睡眠剥夺会导致大脑间质和脑脊液（CSF）中AD关键病理标志物Aβ和tau蛋白的迅速增加，而在认知健康的成年人中，睡眠损失，特别是非快速眼动（NREM）睡眠与CSF Aβ的增加有直接关系。对于AD患者而言，其快速动眼睡眠（REM）和NREM睡眠减少都与认知障碍的程度相关。这些证据强烈表明睡眠损失可能引发大脑中的病理机制，从而加速神经退行性疾病的发生和发展。

因此，了解睡眠早期变化的病理后果将有助于在疾病进展过程中早期确定有效的治疗干预措施。

传统研究往往把睡眠/觉醒相关细胞集中在神经元上，现有越来越多的证据表明神经胶质细胞，尤其是星形胶质细胞作为睡眠/觉醒周期的关键组成部分的作用，而人们对小胶质细胞在其中的作用知之甚少。

之前的工作已经指出小胶质细胞增生是包括 AD 在内的多种神经退行性疾病的一种典型病理现象，小胶质细胞可以通过促进细胞因子、补体蛋白、白细胞介素和趋化因子的增加对Aβ斑块和其他蛋白聚集体做出反应，但长时间不受控制的小胶质细胞反应会导致慢性神经炎症，从而促进神经元功能障碍和神经变性。急性和慢性睡眠剥夺已被证明会诱发全身性炎症，并增加IL-1β、IL-6 和TNF-α的产生。此外，在小鼠体内直接注射 TNF-α和IL-6也会直接影响NREM睡眠的持续时间。这些研究表明，睡眠和炎症过程的变化可能以双向方式相互作用，这突出表明需要进一步研究小胶质细胞与睡眠之间的关系。

最近的工作发现在小胶质细胞中表达的几种免疫调节基因的变体会增加患AD的风险。例如，TREM2 R47H功能丧失性突变的引入会损害小胶质细胞的趋化性和斑块周围的聚集，说明TREM2功能的丧失会破坏小胶质细胞识别和消除致病威胁的免疫监视能力。基于此，来自华盛顿大学医学院的David M. Holtzman团队在Science Translational Medicine杂志上发表了一篇题为“Sleep deprivation exacerbates microglial reactivity and Aβ deposition in a TREM2-dependent manner in mice”的文章，他们研究了慢性睡眠剥夺是否会影响野生型(WT)小鼠和存在淀粉样蛋白斑块沉积的5xFAD小鼠中的小胶质细胞功能，并进一步研究了TREM2是否作为AD病理学改变中的关键免疫调节成分。

（如需原文，请和微信号healsanq联系；备注“20231205”）

研究者首先利用表达人源化TREM2常见变异体(5xFAD/T2^CV)、功能丧失性R47H 变异体(5xFAD/T2^R47H)或TREM2基因敲除小鼠(5xFAD/T2^KO)的5xFAD小鼠以研究慢性睡眠剥夺（利用脑电图监测小鼠的睡眠模式）对Aβ斑块病理学的影响。结果显示与正常睡眠小鼠相比，慢性睡眠剥夺会增加脑内Aβ斑块沉积，且在5xFAD/T2^KO小鼠中积累水平最高，提示正常的TREM2功能对于调节5xFAD小鼠模型中的Aβ沉积很重要。此外，研究者还发现在睡眠剥夺后表达P2RY12和TMEM119的稳态小胶质细胞群体显著减少，与睡眠正常的5xFAD/T2^CV对照小鼠相比，IBA1+（激活特征）小胶质细胞在Aβ斑块周围的聚集在睡眠剥夺的5xFAD/T2^CV小鼠中更为突出，这在功能丧失的5xFAD/T2^R47H或5xFAD/T2^KO小鼠中未观察到，表明睡眠剥夺诱导的小胶质细胞反应性存在TREM2依赖性效应。需要注意的是，尽管5xFAD/T2^CV 睡眠剥夺小鼠脑内Aβ斑块周围的小胶质细胞反应性增加，但它们即使吞噬了Aβ斑块，也未进行降解，而是积累在溶酶体中。这些数据提示睡眠剥夺不仅会使小胶质细胞反应过度，而且无法有效降解吞噬的Aβ斑块。

图1. 睡眠剥夺以TREM2依赖的方式加剧5xFAD小鼠的淀粉样斑块沉积。

考虑到小胶质细胞吞噬Aβ却未能正常降解，研究者怀疑它们的溶酶体功能可能出现异常。为了验证这一假设，研究者首先利用透射电子显微镜检测溶酶体形态，发现慢性睡眠剥夺会导致5xFAD/T2^CV小鼠细胞内溶酶体表现出变形和膨胀，这一现象不存在于5xFAD/T2^KO小鼠，表明这是TREM2依赖性的影响。紧接着，研究者检测了位于溶酶体腔内的水解酶活性，发现与小胶质细胞反应增强具有相反的变化趋势，提示酶活性受损。这些发现说明睡眠剥夺是损害小胶质细胞溶酶体功能的主要代谢应激源，从而造成无法处理沉积的蛋白聚集体。

图2. T2^CV、5xFAD/T2^CV、T2^KO和5xFAD/T2^KO小鼠海马下托（subicula）部位小胶质细胞内溶酶体的代表性透射电镜图像（这些小鼠被剥夺睡眠或正常睡眠）。

接下来，研究者想知道使小鼠对睡眠剥夺产生不同反应的机制，于是对大量海马下托组织进行RNA-seq分析，发现与正常睡眠对照组相比，睡眠剥夺组具有明显的转录特征，基因表达变化不仅对基因型有特异性，而且对睡眠变化也有特异性。简单来说，正常睡眠与睡眠剥夺的T2^CV和5xFAD/T2^CV小鼠的GO通路在存在或不存在β斑块方面是不同的。T2^CV小鼠的睡眠剥夺导致主要与溶酶体相关以及与小胶质细胞和IL-2信号通路的基因表达发生变化，还发现了几个与自噬有关的基因，例如Atg16l、Nlrp6、Lgals8和Becn1，表明睡眠剥夺会导致溶酶体降解功能受损。比较5xFAD/T2^CV小鼠的不同睡眠状态也同样发现，睡眠剥夺的5xFAD/T2^CV小鼠也表现出小胶质细胞和巨噬细胞基因的上调。

为了更好地了解观察到的效果是否主要依赖于TREM2基因型而不是由于睡眠剥夺，研究者进一步比较了睡眠剥夺/正常睡眠的5xFAD/T2^CV，以及正常睡眠的5xFAD/T2^CV与5xFAD/T2^KO小鼠的转录组，发现两组之间有9个基因重叠，包括Bhmt、Cd68、Clec7a、Col8a1、Col8a2、Igf2、Irs4、Mpzl2和Slc47a1。因此，尽管睡眠剥夺依赖性基因表达变化并非完全依赖于TREM2，但睡眠剥夺对炎症的影响主要存在于具有TREM2表达的小鼠中，这表明需要TREM2来介导对睡眠剥夺的反应。

图3. 睡眠剥夺触发依赖于TREM2和Aβ斑块的转录途径。

尽管睡眠剥夺后T2^CV和5xFAD/T2^CV小鼠的基因表达发生了独特的变化，但在大脑中都表现出相似的炎症特征。因此，研究者通过使用无偏质谱分析脑脊液以确定在存在或不存在Aβ斑块的情况下，睡眠不足所导致的蛋白组整体变化。结果显示，TREM2在睡眠剥夺的大脑中引发蛋白质组学变化，Aβ斑块的存在可能会进一步加剧代谢功能障碍。然而，在没有TREM2的情况下，Aβ病理学不会进一步加重已经由睡眠剥夺引发的功能障碍。

主要结论

综上所述，这项工作表明慢性睡眠不足在调节小胶质细胞炎症和代谢反应以及大脑中的Aβ斑块负荷方面起着关键作用，简单来说，会触发大脑中独立于Aβ斑块、却在很大程度上依赖于TREM2的小胶质细胞反应性。未来需要进行前瞻性人体研究来测试通过治疗潜在的睡眠障碍来改善睡眠质量是否可以降低小胶质细胞反应性、淀粉样蛋白沉积的长期风险以及在AD中观察到的认知障碍进展。总体来看，了解睡眠如何调节这些复杂的神经胶质细胞相互作用将为确定哪些分子途径最适合针对睡眠障碍和神经退行性疾病的早期治疗干预开辟新途径。

编者按：

睡眠中断是衰老的一个常见特征，睡眠减少，尤其是NREM睡眠，与许多神经退行性疾病的典型认知障碍有关。

该研究在这里详细阐明了慢性睡眠剥夺与痴呆症风险增加相关性的潜在机制，还展示了同样受睡眠不足影响的多种代谢途径，可能会增加患相应疾病的风险，比如葡萄糖和糖原失调可能导致患糖尿病、肥胖、胰岛素抵抗和其他神经内分泌损伤的风险增加等，因而不仅对于痴呆症，对于多种类型的代谢疾病而言都具有重要价值。

当然，这项工作也存在一定的局限性。

首先，这项研究是利用动物模型完成的，可能无法完全代表人类随着时间的推移睡眠不足的复杂性质及其对神经退行性疾病的影响，但目前无法通过实验研究慢性睡眠不足对人类小胶质细胞反应性的影响，该研究通过表达人源化APP和TREM2基因的小鼠模型已经算是一种最优的解决方案。

此外，该研究的重点是长期睡眠剥夺对小胶质细胞反应性和Aβ斑块积聚的短期影响，因此，需要长期随访研究来确定这些影响的持久性及其对AD等神经退行性疾病进展的潜在影响。

TREM2作为调节小胶质细胞功能的关键分子，其潜在的临床应用包括作为治疗神经退行性疾病的靶点，以及在神经损伤后促进神经修复的策略。

然而，TREM2的作用机制和其在不同神经疾病中的具体影响仍然是神经科学研究的热点和挑战。了解TREM2在小胶质细胞中的作用将有助于开发新的治疗方法，以改善或逆转神经退行性疾病的进程。

参考资料来源：

【1】 Parhizkar S, et al. Sleep deprivation exacerbates microglial reactivity and Aβ deposition in a TREM2-dependent manner in mice. Sci Transl Med. 2023 Apr 26;15(693):eade6285. doi: 10.1126/scitranslmed.ade6285. Epub 2023 Apr 26. PMID: 37099634; PMCID: PMC10449561.