神经退行性疾病的特征标志（下）

站在高岸上遥看征程于大海中的行船是愉快的，站在旷野里仰望洒落夜空的繁星是欣喜的，但没有什么能比站在科学的高峰之上，俯视来路上的层层迷障与崎岖坎坷更为快乐。科学的星火，传承了历史的发现，织就了跨越时空的真理。它能与时间抗衡，与未来竞技，与人类生命力共存。历史漫漫，未来无限，披着探索发现的外衣，科学让神秘变得透明，让未知变成可能。科学是严谨的、不朽的、高远的，也是有趣的，温暖的，大众的。

2023年2月16日，比利时哈瑟尔特大学Ilse Dewachter实验室在Cell期刊上发表了题为Hallmarks of neurodegenerative diseases的综述。在这篇综述中，研究者提出了八个NDDs标志的特征：

（1）病理性蛋白聚集;

（2）突触和神经元网络功能障碍;

（3）异常的蛋白质稳态;

（4）细胞骨架异常;

（5）能量代谢改变;

（6）DNA和RNA缺陷;

（7）炎症和

（8）神经元细胞死亡（图1）。

研究者描述了这些特征、它们的生物标志物以及它们的相互作用。

图1 神经退行性疾病的特征标记

在上两节的描述中，我们已经介绍了NDDs的五个特征标记：

（1）病理性蛋白聚集、

（2）突触和神经元网络功能障碍、

（3）异常的蛋白质稳态、

（4）细胞骨架异常、

（5）能量代谢改变。

接下来，在本章中，我们将对剩下的NDDs特征标记展开详细介绍。

06、DNA和RNA缺陷

DNA损伤的积累和RNA代谢缺陷已被认为在各种NDDs中扮演关键角色。细胞的基因组和转录组易于受到自发降解和广泛的细胞内或环境因素的损伤。在中枢神经系统中，主要的基因毒素被认为是因线粒体氧化磷酸化而产生的ROS。持续的DNA改变可以引发不良的分子事件，如突变、染色体重排、RNA转录停滞或DNA复制叉折，这些事件可以促进细胞功能障碍和细胞死亡。为了避免这些致病事件的发生，生物体进化出复杂的响应和修复系统来维护DNA完整性和确保正常的基因组功能。同样，存在复杂的机制来忠实地生成、利用和处理RNA分子，以确保正确的细胞操作。RNA代谢和稳态包括转录、RNA剪接、运输和降解、翻译和调节非编码RNA的生物合成等过程，是一个涉及RNA结合蛋白和RNA物种的复杂集合。任何RNA调控组分的异常都会对蛋白质翻译、蛋白质聚集和RNA干扰 (RNAi) 产生影响。RNA代谢/稳态缺陷导致RNA驱动过程和RNA运输缺陷，以及特征应激颗粒 (SGs) 的形成。此外，RAN翻译（重复相关RNA编码、非ATG翻译）可以导致不同的重复蛋白生成。

DNA缺陷

DNA损伤在NDDs中的作用表现在，一些罕见的遗传性疾病表现出神经并发症，是由于有效响应和清除基因组应激的能力缺陷造成的（图2）。例如，编码蛋白质的基因突变通常用于解决DNA双链断裂 (DSB) 或复制应激，可导致晚年的脑萎缩。一些NDDs，主要是隐性的失调，也源于DNA单链断裂 (SSB) 能力的遗传缺陷，SSB是DNA ROS攻击的常见产物。这些SSB修复障碍表现出严格的神经表型，没有癌症易感性，似乎是因为内源性链断裂升高导致转录停滞和激活非分裂神经元的细胞死亡途径。而SSB损伤在分裂细胞中通过复制定向的同源重组修复被忠实地清除。另外，持续的DNA损伤促进细胞周期激活和再入，导致有丝分裂后神经元的凋亡细胞死亡。与驱动神经系统疾病的转录阻断病变的突出作用一致，核苷酸切除修复转录偶联子通路组分的遗传缺陷导致神经退行性变。

图2 DNA损伤在衰老和神经退行性变中的影响1

在上述DNA修复障碍之外，DNA损伤处理的缺陷与许多其他NDDs有关，包括AD、PD、HD和ALS的散发性和家族性病例。在所有情况下，氧化性DNA损伤增加，往往与线粒体功能障碍共同产生。有证据表明，氧化性DNA损伤的修复受损可能是AD模型和PD样病理中神经系统变性的风险调节因素。还有证据表明，DNA DSBs从AD的早期阶段开始在脆弱的神经元和胶质细胞群中积累，可能是由于关键DSB反应蛋白的表达减少。此外，与tauopathies（tau）、ALS/FTD（TDP-43和FUS）、HD（Htt）、spinocerebellar ataxia（ATXN2）或SMA（SMN1/SNM2）相关的蛋白参与了各种DNA损伤反应，最常见的是在DNA链断裂的情况下。最近的证据还表明，核DNA损伤的积累会导致DNA损伤传感器PARP1的过度激活，从而导致NAD消耗和线粒体功能障碍。

RNA缺陷

越来越多的数据表明，RNA失调在多种神经发育障碍中发挥重要作用，通过改变生理功能或诱导RNA毒性或形成涉及蛋白聚集的SGs。例如，RNA缺陷在ALS / FTD和polyQ疾病的疾病病因中发挥作用。TDP-43的错位，它作为RNA结合蛋白发挥作用，会导致RNA剪接、RNA稳定性和RNA转运的改变。同样，FUS的致病突变会导致通常核蛋白质在细胞质中的错位，从而导致RNA代谢的缺陷，特别是编码调节树突生长和突触功能的蛋白质的转录本。在polyQ疾病中，CAG扩展和RAN翻译被认为是关键的致病因素，通过俘获关键调节蛋白。支持RNA缺陷作为NDD驱动机制的其他例子包括由异质核RNP A1或A2B1基因突变引起的多系统蛋白质病，以及SMA，因为SMN1 / SMN2是参与剪接的转活因子。

SG细胞质聚集体的形成也被认为在NDDs过程中发挥了重要作用。SG是密集的细胞质RNP复合物，是在应对细胞压力时形成的，以暂时抑制翻译和储存mRNA。一些与FTD和ALS相关的RNA结合蛋白（即TDP-43、FUS、EWSR1、TAF15、hnRNPA1、hnRNPA2B1、ATXN2、TIA1和VCP）参与了SG的动态（图3）。SG的形成可由功能失调的UPS诱导，最终导致泛素化蛋白的积累。因此，RNA代谢的变化与蛋白稳态的改变有关，这是NDDs的另一个特征。

图3 TDP-43与其他ALS和FTD相关基因在蛋白质和RNA稳态中的相互作用2

07、炎症

神经炎症，包括小胶质细胞增多和星形胶质细胞增多，是NDDs的一个病理标志。除了在NDDs患者的死后脑部样本中无一例外地存在炎症外，神经炎症在神经变性中的明确作用在原型神经炎症疾病MS和相关的NDDs中得到了证明。

小胶质细胞增多在所有NDDs中都能检测到，包括蛋白病和非蛋白病。小胶质细胞通常在大脑中发挥传感器、管家和防御功能，这些功能的失常可导致神经变性。在保护大脑功能方面，小胶质细胞通常对病原体或损伤的迹象作出反应。激活后，小胶质细胞参与细胞因子/化学因子的产生、吞噬作用的激活、生理功能的失调和ROS的产生。在急性应激反应后，炎症过程通常被积极解决。然而，未能解决的结果是慢性炎症，可促进神经退行性过程。由于存在危险信号，如蛋白质聚集、错误折叠的蛋白质、受损的突触、Ca2+流入或线粒体ROS，即驱动其他NDDs特征的机制，小胶质细胞的未解决激活可能在NDDs中发生。一些聚集的NDDs蛋白诱导小胶质细胞激活，如Aβ、tau、α-synuclein等。此外，不同小胶质细胞状态之间的转换被认为发生在疾病过程中，特定人群与神经退行性变特异性相关。这些小胶质细胞群在细胞因子产生、吞噬、ROS产生或星形胶质细胞相互作用的调节中发挥独特的作用，最终影响突触功能和神经元细胞死亡。了解不同小胶质细胞群体的有害和保护作用将对NDDs的有效治疗靶向非常重要。

AD的全基因组关联研究已经确定了许多对小胶质细胞功能、内吞作用和脂质代谢很重要的基因。脂质代谢和小胶质细胞激活之间的密切关系正在被研究，因为脂质相关基因在小胶质细胞从平衡状态向损伤相关的过渡中被上调。与AD一样，ApoE在路易体病的情况下也是痴呆的危险因素，而且有证据表明ApoE参与了突触核蛋白介导的神经变性。这种关联对神经变性是有因果关系的，而不是简单的旁观者效应，这一点得到了临床前模型研究的支持。

值得注意的是，小胶质细胞与星形细胞密切互动并激活星形细胞，而星形细胞对维持神经元的健康和功能也至关重要。简而言之，星形胶质细胞对神经元的正常功能至关重要，在维护谷氨酸平衡方面发挥着关键作用，是三突触网络的重要组成部分。星形胶质细胞释放细胞外因子，包括趋化因子和细胞因子，并在胶质瘢痕形成中发挥着关键作用。通过调节这些不同的过程，星形胶质细胞可以以非细胞自主的方式直接导致突触缺陷和神经退行性。重要的是，星形胶质细胞通常在受损神经元附近被激活，导致反应性胶质增生。星形胶质细胞也可能是某些NDDs中蛋白质聚集病理的直接目标。

最后，炎症，即反应性星形胶质细胞和反应性小胶质细胞，被不同的NDDs特征激活并与之相互作用，可能与其他NDDs特征共同作用，加速疾病进程。如上所述，星形胶质细胞的激活影响突触功能、能量平衡、蛋白质聚集和神经变性，同时相互调节小胶质细胞。相反，过度活跃的小胶质细胞在NDDs的突触消除中起作用，可能导致神经元网络功能障碍。如上所述，小胶质细胞因蛋白质聚集而被激活，以及小胶质细胞在影响蛋白质聚集方面的作用已得到证实，表明这两种现象之间存在不利的相互作用。在对危险信号作出反应时，小胶质细胞分泌ROS，增加了氧化损伤，改变了大脑的能量平衡。小胶质细胞清除细胞表面表达eat-me信号的神经元。这些例子突出了炎症和其他NDDs特征之间的密切联系。

08、神经元细胞死亡

神经元的几个固有特性可能使它们在NDDs中特别容易受到细胞死亡的影响。这些包括：（1）其有丝分裂后的性质导致DNA、脂质、蛋白质和细胞器的年龄相关损伤逐渐积累，无法复制和补充神经细胞群；（2）它们的高能量需求，主要是由于需要支持突触功能，以及通过线粒体氧化磷酸化产生相关的ROS；（3）它们的轴突和树突延长，导致对长距离运输和结构组织的要求；以及（4）它们依赖胶质细胞进行维护、能量和防御。因此，神经元似乎更容易受到细胞死亡的影响，这一特点因与年龄相关的复原机制的下降而加剧。以上描述的NDDs特征单独或共同导致了神经元细胞的损失，可能是以一种方式引起了不同的病理和临床表现。研究者提出，不同的NDDs特征协同作用，最终推翻了神经元对内部和外部损伤的内在恢复力。

神经元的死亡有不同的形式，最终导致脑容量的损失，并导致神经元内的蛋白质，如tau和神经丝释放。如前所述，可根据死亡机制或死亡诱因进行具体分类。描述得最好的神经元死亡机制包括内在和外在的细胞凋亡和坏死，但其他包括坏死性、铁死性、吞噬性、自噬性细胞死亡、热死性和线粒体通透性转换也有充分的记录。虽然存在不同类型的神经元死亡，但各种机制之间存在串扰，而且如果一个神经元不执行特定的细胞死亡程序，另一个神经元可能会接管它。许多神经元细胞死亡的直接触发因素已经提到，包括：轴切、异常细胞周期再入、谷氨酸兴奋性和氧化作用、连接神经元的丧失、聚集的蛋白质、未折叠蛋白反应、溶酶体破裂、自噬、氧化剂和DNA损伤（图4）。因此，这篇综述中讨论的多个NDDs标志是神经元细胞死亡的诱因，预计会协同推动神经退行性过程。

图4 神经元死亡的机制3

洞察参与细胞死亡的分子角色和途径对于理解神经退行性的机制非常重要。兴奋性毒性通过过量的细胞质Ca2+导致神经元死亡，通过打开线粒体通透性转换孔和激活促进细胞凋亡或溶酶体细胞死亡的钙蛋白酶，激活各种神经元死亡程序。能量耗竭通过不同的机制导致神经元细胞死亡，氧和葡萄糖的剥夺导致神经元中ATP的快速耗竭，从而导致质膜去极化，随后激活突触前和体细胞电压依赖性Ca2+通道和谷氨酸的释放。细胞死亡途径也可由线粒体损伤和相关的线粒体功能紊乱直接启动。例如，线粒体完整性被破坏后，凋亡诱导因子 (AIF) 可以从线粒体转移到细胞核，并诱导依赖caspase的染色质凝聚和DNA裂解。这种与线粒体相关的过程可由几种细胞应激源诱导，包括DNA损伤、氧化应激、糖皮质激素、神经酰胺的产生或生长因子的丧失。溶酶体通透性既由细胞蛋白稳态的改变和特征性的、与疾病相关的蛋白的异常聚集诱导，也有助于其产生。溶酶体破裂后，通过释放溶酶体酶，导致神经元细胞损失。

除了细胞自主的死亡途径外，非细胞自主的过程也被证明有助于神经元的损失。例如，凋亡细胞可以被激活的小胶质细胞吞噬，从而限制持续的神经炎症。凋亡的神经元通过暴露磷脂酰丝氨酸 (PS) 作为eat-me的信号而被标记为吞噬。在正常的生理条件下，PS是不可获取的，尽管在细胞凋亡过程中，caspase依赖性裂解PS转运器导致细胞表面暴露PS。有趣的是，最近证明PS暴露发生在显示病理性tau形式的神经元中，有助于神经元损失。毋庸置疑，NDDs的特征汇聚于神经元死亡，因为NDDs的最后阶段是神经元细胞群的丧失，导致功能受损。

NDDs的特征：研究NDDs的整体分析框架

接下来，研究者为研究NDDs的整体方法提供了一个框架，并根据不同NDDs的主要特征对其进行统一和分类。这个框架是对造成NDDs的遗传因素和生化途径的总结，揭示了NDDs之间的重叠过程。

NDDs特征的相互关联性强调了多目标疗法的必要性

从这一讨论中得到的一个重要启示是，不同的NDDs特征表现出高度的相互关联性（图4）。例如，突触功能障碍和兴奋性毒性与能量平衡、氧化应激和神经元死亡密切相关。病理蛋白聚集、异常蛋白稳态、突触功能、兴奋性毒性和神经元死亡之间的直接关系也已被确认。同样，能量平衡、氧化应激、DNA损伤和神经元死亡是高度互动的过程。涉及胶质细胞的非细胞自主途径在调节神经元功能、突触消除、神经退行性和神经炎症方面非常重要。这些例子突出了这些特征之间的密切联系和相互关联性，表明神经元对侮辱的复原力可能被促进神经元死亡的同时和协同事件的不利影响所推翻。

在治疗策略中应考虑NDDs的相互关联性，因为这种相互作用意味着针对单一的NDD标志可能不足以阻止神经退行性过程。当只针对一个NDD标志时，疾病过程可能会被其他标志之一所取代，这表明有必要采用组合式多目标疗法来有效阻止NDDs。

图5 NDDs的特征及其相互联系作为NDDs分类和识别NDDs亚型的框架

确定NDDs之间和内部的共同点和多样化的框架

尽管NDDs有相似的特征，但它们在不同疾病中的相对重要性显然不同，可能是由遗传和环境因素以及受影响的特定神经元群体、脑区或细胞类型决定的。在这方面，重要的是要确定主要的疾病途径贡献者，并为每个特定的NDDs（图4A），甚至在NDDs的亚类（图4B）中确定更多的次级影响。例如，病理性蛋白聚集和异常蛋白稳态、突触缺陷和炎症可被认为是AD的主要贡献者，而异常蛋白稳态结合线粒体缺陷和能量代谢紊乱可能在PD中起重要作用。相反，在典型的炎症性疾病，如多发性硬化症中，炎症是一个明确的、主要的贡献者。在ALS中，蛋白质聚集和RNA或DNA代谢缺陷的结合，以及突触和神经元网络缺陷似乎是关键的因素。PrDs是疾病的典型例子，其中蛋白质聚集和传播是关键的致病过程。然而，神经元功能障碍和细胞死亡可能是由NDDs过程的组合诱发的，这些过程协同驱动神经变性。除了NDDs之间的明显差异，它们的共同点可能表明，一些策略可能在NDDs的范围内有更广泛的应用，并可能有助于针对多个共同的NDDs特征。然而，还需要考虑疾病的特殊性。

用于临床试验的特定NDDs内亚型分层的框架

重要的是，所提出的框架不仅为跨NDDs的分层提供了基础，也为特定NDDs中的亚型提供了基础（图4B）。在特定的NDDs中，主要驱动因素明显存在个性化的差异。这些差异由遗传因素决定，但也由非遗传因素决定，包括年龄、生活习惯和环境暴露。NDDs不同脑区的复原力和神经元脆弱性的差异，以及特别是在特定NDDs内的个体之间的差异，将决定驱动疾病过程的NDDs综合主要特征。特定NDDs患者之间的异质性可能导致针对某一特定NDDs标志的临床试验失败，这表明需要对患者进行分层。重要的是，许多这类疾病的病理基础在出现临床症状之前的许多年就已经开始了。当症状出现时，重大的神经元和突触损失已经存在。通过使用生物标志物识别处于疾病症状前阶段的个体，对于初级和二级预防试验至关重要。基于分子特征的不同NDDs亚型可能会出现类似的症状；然而，遗传和外部因素可能会改变不同NDDs特征在特定NDDs中的比重和相对贡献。例如，在AD中，可能存在这样的患者：除了强烈的蛋白聚集成分外，还显示出强烈的炎症成分、强烈的突触成分或强烈的蛋白稳态/ (ALP/UPS) 成分，每个亚型可能从特定的（多目标）疗法中获得不同的益处。因此，NDDs特征可能为NDDs内的患者分层提供了一个框架，为设计个性化、多靶点的疗法定义了亚型。

综上所述，研究者提供了一个框架，用于统一和分类NDDs，以及在特定NDDs内对亚型和患者进行分层，该框架基于几十年来在模型和患者中进行的遗传和生化调查所确定的NDDs标志。研究者提出，由于NDDs标志之间的相互关联性，要有效地阻止NDDs，需要改进NDDs标志的生物标志物和多目标的个性化治疗方法。

参考文献

[1] Madabhushi R. Pan L. Tsai L.H. DNA damage and its links to neurodegeneration. Neuron. 2014; 83: 266-282

[2] Ling S.C. Polymenidou M. Cleveland D.W. Converging mechanisms in ALS and FTD: disrupted RNA and protein homeostasis. Neuron. 2013; 79: 416-438

[3] Fricker M. Tolkovsky A.M. Borutaite V. Coleman M. Brown G.C. Neuronal cell death. Physiol. Rev. 2018; 98: 813-880

供稿 | 肖媛

审稿 | 谭佳鑫

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

打赏