編者按
衰老被認為是罹患阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病的最強風險因素。因此，研究衰老的生物學機制及其如何與神經退行性疾病的進展相互關聯是一個值得深入研究的領域。眾所周知，晚期糖基化終末產物 (AGE) 在核苷酸、脂質和蛋白質上的積累會損害細胞功能，并且這也是一個正常的、不可阻止的衰老特征。此外，最近的研究揭示了蛋白質質量控制和自噬是散發性帕金森病的疾病驅動途徑。研究發現PARK7基因編碼的蛋白質DJ1的功能喪失（Loss of function）與早發性PD發病存在因果關系，但DJ1功能的失衡如何促進PD的發病機制仍不清楚。
今天，我們回顧一項由美國紐約干細胞研究所的科研團隊發表在《Nature Communications》（IF=11.9）的經典研究，該研究利用腦類器官模型揭示了星形膠質細胞在衰老和帕金森病中的致病作用，從而揭示了潛在的治療策略。
研究者發現，在DJ1功能失調的腦類器官中，星形膠質細胞中的蛋白質量控制通路是有缺陷的。因此，當DJ1缺失或突變時，AGE積累和a-syn聚集最終導致多巴胺能神經元的死亡。
文章題目
Disruption of lysosomal proteolysis in astrocytes facilitates midbrain organoid proteostasis failure in an early-onset Parkinson’s disease model
雜志：《Nature Communications》（IF=11.9）
發表時間：2024年1月10日
作者：Gustavo Morrone Parfitt , Elena Coccia等
單位：美國紐約干細胞研究所等
01、研究結果
1. DJ1敲除的中腦類器官顯示PD相關α-syn表型
研究者首先通過CRISPR-Cas9技術敲除iPSC中的DJ1基因，然后構建中腦類器官來模擬DJ1失衡在PD發病機制中的影響。構建的中腦類器官在培養至第100天時，出現星型膠質細胞，到培養的第200天時，星形膠質細胞數量顯著增加。α-突觸核蛋白（α-syn）在中腦的聚集是PD的一個病理標志。
研究者發現，在培養的第200天時，中腦類器官中磷酸化α-突觸核蛋白的表達水平明顯上調。溶酶體途徑對多種形式的自噬至關重要，已知它可以處理α-syn單體和聚集物。
為了研究DJ1 KO中腦類器官中α-共聚核蛋白聚集物的積累是否由于自噬的改變，研究者用巴菲霉素A1（BAF）處理第100天的中腦類器官（BAF通過抑制溶酶體酸化來阻斷溶酶體活性），結果發現自噬系統無法代償處理蛋白聚集體，導致了α-突觸核蛋白的聚集。
圖1
2. DJ1 KO中腦類器官的蛋白質糖化增加
氧化損傷會損害蛋白質組的穩定性和細胞活力，并且通過晚期糖基化終產物 (AGE) 的積累可以驅動神經退行性變。于是，研究人員檢測了人中腦類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糖化修飾。
結果發現，MGH蛋白糖化在培養至第100天和第200天的DJ1 KO中腦類器官中顯著積累。同時發現，MGH蛋白糖化的積累會導致α-突觸核蛋白聚集和溶酶體功能障礙。
圖2
3. 星形膠質細胞DJ1 LOF具有反應性并在中腦中產生毒性
星形膠質細胞是大腦中主要的糖酵解細胞類型，因此，與神經元和其他腦細胞類型相比，獲得糖基化損傷的風險更高。
由于星形膠質細胞對于神經元內穩態和神經元來源的受損脂質和蛋白質如α-syn的降解至關重要，因此，作者們研究了中腦類器官中星形膠質細胞的功能，結果發現DJ1在星形膠質細胞中具有顯著的神經保護作用，而DJ1功能失衡會通過星形膠質細胞促進神經退行性變。
圖3
4. DJ1功能失衡的星形膠質細胞中促炎因子以及聚集蛋白顯著增加
進一步研究發現，DJI功能失衡會引起蛋白質組不穩定性，導致星形膠質細胞的活化以及炎癥因子的釋放。同時發現DJ1功能失衡會導致溶酶體功能失衡，最終導致星形膠質細胞中α-syn的聚集。
圖4
5. DJ1功能失衡的星形膠質細胞中蛋白水解受損
由于聚集蛋白的降解（定義為自噬通量）在神經退行性疾病的早期階段上調。因此，作者試圖確定 DJ1 功能失衡的星形膠質細胞中觀察到的蛋白質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。
結果發現，與對照組相比，DJ1 KO星形膠質細胞中核周內切酶/溶酶體的數量有所減少，并且星形膠質細胞中的蛋白水解受損。
圖5
02、編者點評
總而言之，該數據表明，DJ1功能喪失會降低溶酶體能力，導致有毒形式的突觸核蛋白積累并增加神經元細胞死亡。
綜上，本研究通過iPSC衍生腦類器官進而研究帕金森病，為理解PD的發病機制提供了新見解。本研究也表明星形膠質細胞功能障礙、蛋白糖化和蛋白質聚集是家族性DJ1突變相關PD的基本表型，為開發更有效的神經退行性疾病治療方法指明了策略。
作為健康美麗產業CRO服務開拓者與引領者、斑馬魚生物技術的全球領導者，環特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”四位一體的綜合技術服務體系，開展健康美麗CRO服務、科研服務、智慧實驗室搭建三大業務。目前，環特已建立200多種斑馬魚模型及人誘導多能干細胞及多種癌種的類器官培養平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！
參考文獻
[1] Reeve, A., Simcox, E. & Turnbull, D. Ageing and Parkinson’s disease:why is advancing age the biggest risk factor? Ageing Res. Rev. 14,19–30 (2014).
[2] Chaudhuri, J. et al. The role of advanced glycation end products in aging and metabolic diseases: bridging association and causality.Cell Metabolism 28, 337–352 (2018).
[3] Lockhart, P. J. et al. DJ-1 mutations are a rare cause of recessively inherited early onset parkinsonism mediated by loss of protein function. J. Med. Genet. 127, e22 (2004).