Nature︱星形胶质细胞来源的IL-3调控小胶质细胞功能, 缓解AD病理变化和认知障碍
撰文︱Sucre
责编︱王思珍
中枢神经系统主要由两大类细胞组成，神经元（neurons）和神经胶质细胞（glial cells），其中神经胶质细胞分为星形胶质细胞（astrocytes）、小胶质细胞（microglia）和少突胶质细胞（oligodendrocytes）三类。神经胶质细胞生态系统内的交流对神经元功能发挥和大脑健康具有重要的作用【1-3】。
阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）是目前世界上最为常见的神经退行性疾病之一，其主要特点是神经元发生退行性死亡并伴随进行性认知功能减退，主要病理特征是细胞外不溶性β-淀粉样蛋白（amyloid β，Aβ）沉积和细胞内神经纤维缠结（neurofibrillary tangles，NFTs）形成【4】。此前研究发现，胶质细胞之间的交流在AD的发生发展过程中扮演重要作用【4-5】，然而机制尚不明确。因此，深入理解胶质细胞对AD病理生理变化的调节作用，可能为缓解或治疗AD开辟新的途径。
白介素-3（Interleukin-3，IL-3）是一种多功能细胞因子，与炎症和自身免疫性疾病相关【6】。研究发现，在人类中，IL-3水平与AD的发生风险【7】和严重程度相关【8】，同时，体外研究表明IL-3与神经变性（neurodegeneration）相关【9】。尽管存在上述联系，然而IL-3在人类AD患者或AD模型中的作用机制，尚不清楚。
近日，来自美国麻省总医院和哈佛医学院的Rudolph E. Tanzi团队和Filip K. Swirski团队合作在Nature上发表了题为Astrocytic interleukin-3 programs microglia and limits Alzheimer’s disease 的最新研究论文。研究发现，星形胶质细胞来源的IL-3介导的星形胶质细胞—小胶质细胞交流是小胶质细胞编程并改善AD病理和认知功能障碍的关键调节因素。
文中，作者首先研究了IL-3在AD病理进程中的作用。作者将IL3-/-和5xFAD（表达5种AD相关家族性基因突变的AD小鼠模型）小鼠杂交，发现IL3-/-5xFAD小鼠的Aβ沉积数量增多，体积增大以及皮层中Aβ水平升高（图1a-c）；同时，IL3-/-5xFAD小鼠表现出短期记忆能力和空间学习记忆能力障碍（图1d-f）。这些结果表明：IL-3对AD小鼠模型具有保护作用。
图1 IL-3对AD小鼠模型具有保护作用
（图片引自：McAlpine CS, et al., Nature 2021）
为了确认AD小鼠模型中发挥保护作用的IL-3的来源。作者首先比较了野生型小鼠和5xFAD小鼠血浆、脑脊液中的IL-3水平，发现二者之间没有明显差异，但脑脊液中IL-3水平比血浆中IL-3高出4倍之多（图2a）。这一结果表明IL-3可能在大脑局部产生。接着，作者构建了Il3基因条件性敲除小鼠（Il3GFPfl/fl），并对该小鼠全脑组织进行了流式细胞分选，发现，该小鼠脑中的IL-3主要来源于星形胶质细胞，而非其他类型的细胞，且AD小鼠的病理变化不影响星形胶质细胞IL-3的表达（图2b-e）。进一步地，免疫组化实验显示，IL-3信号与星形胶质细胞有很好的共定位（图2f）。另外，作者也发现，星形胶质细胞的激活不会改变IL-3的产生，IL-3的缺失也不会改变健康或5xFAD小鼠星形胶质细胞的形态或分布。这些结果证明：星形胶质细胞是小鼠脑中IL-3的主要来源。
随后，作者发现，相比于野生型小鼠，5xFAD小鼠模型中IL-3Rα（IL-3的特异性受体）阳性的小胶质细胞比例显著升高，并且这一趋势具有年龄依赖性，小胶质细胞来源的IL-3Rα也位于Aβ沉积附近（图2g-k）。这些结果表明：在AD的病理进程中，小胶质细胞通过表达IL-3Rα对星形胶质细胞产生的IL-3产生响应。
为了进一步探究AD小鼠模型中星形胶质细胞来源的IL-3对小胶质细胞Il3ra动态表达的分子调控机制。作者采用了单细胞测序的方法，对来源于不同月龄的野生型、Trem2−/−、5xFAD和Trem2−/−5xFAD小鼠的小胶质细胞进行转录谱分析。结果显示，随着年龄增长，5xFAD小鼠的Il3ra mRNA水平相比野生型小鼠显著升高；Trem2敲除后，IL-3Rα阳性小胶质细胞的比例显著降低（图2i, m）。TREM2是一种免疫受体，参与调控小胶质细胞的转录和功能，并介导疾病相关的小胶质细胞（disease-associated microglia）的发育【10-12】。因此，这些结果暗示：IL-3Rα阳性小胶质细胞是一类依赖于Trem2，并具有免疫应答和激活表型的细胞群体。
图2 AD小模型中的小胶质细胞通过表达IL-3Rα对星形胶质细胞来源的IL-3产生应答
（图片引自：McAlpine CS, et al., Nature 2021）
那么，IL-3信号通路和AD患者病理变化之间是否有关系呢？免疫组化结果表明，AD患者额叶皮层中IL-3和星形胶质细胞也有很好的共定位，AD患者的病理变化也不影响IL-3的表达水平（图3a, b）；同时，小胶质细胞IL-3Rα表达水平升高，且细胞形态呈现球形和可变形状（类似于变形虫形态），表明小胶质细胞激活（图3c）。值得一提的是，在携带有AD风险基因APOEε4/ε4基因型的人群中，也有类似的结果（图3d-h）。这些结果说明：与AD小鼠模型结果类似，人类AD患者的病理变化和疾病严重程度与IL-3信号通路密切相关，并诱导小胶质细胞表达IL3RΑ 。
图3 AD患者的病理变化和IL-3信号通路密切相关
（图片引自：McAlpine CS, et al., Nature 2021）
进一步地，作者深入探究了IL-3发挥保护作用的分子机制。首先，作者对来源于5xFAD和Il3−/−5xFAD小鼠的小胶质细胞进行单细胞RNA测序，比较分析后发现，相比5xFAD小鼠的小胶质细胞，Il3−/−5xFAD小鼠的小胶质细胞中共有309个差异表达基因（图4a-c）。进一步分析发现，Il3敲除则抑制了表征AD（Apoe）、参与组织修复（Spp1、Dkk2、Gpnmb）、小胶质细胞免疫反应（Clec7a/4e、Igf1、Itgax、Lyz2、Mamdc2, Actr3b、Trem1/3、Ctsg、Ctsw、Cd200r4、Cxcr4/6、IL27ra）、以及细胞运动、细胞外基质重塑和分解（Ccl5/8、Hpse、Lox、Mmp8/9/12/25）等许多相关基因的表达（图4c-e），表明IL-3调节免疫应答、白细胞迁移以及免疫细胞形态。同时，作者发现，敲除小胶质细胞的Il3没有影响TREM2的表达水平，提示IL-3信号通路是TREM2作用的下游。这些结果说明：IL-3诱导小胶质细胞的转录组广泛变化，并调节小胶质细胞的免疫反应和细胞运动。
此外，作者采用计算机分水岭算法（watershed algorithm，即根据分水岭的构成来考虑图像的分割）（图4h）、3D包埋成像（3D whole-mount imaging）（图4i）和体外3D微流控三培养系统（即神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞共培养）（图4j-n）的等实验证实，IL-3在诱导小胶质细胞的免疫激活、小胶质细胞在脑实质的重新分布、以及向Aβ沉积周围的聚集方面具有特殊的作用，这些有助于形成小胶质细胞屏障和炎症出现之前清除Aβ沉积（图4f-n）。
图4 IL-3调节小胶质细胞的转录，参与动员小胶质细胞的免疫反应
（图片引自：McAlpine CS, et al., Nature 2021）
最后，作者进一步研究了星形胶质细胞IL-3和小胶质细胞IL-3Rα在AD病理进程中发挥的作用。为此，作者构建了它莫昔芬（tamoxifen）可诱导的星形胶质细胞Il3特异性敲除的5xFAD小鼠（Il3GFPfl/flAldh1l1CreERT25xFAD），连续注射它莫昔芬后发现，星形胶质细胞IL-3表达受阻，脑脊液中IL-3水平显著下降，Aβ沉积明显增多，Aβ周围的小胶质细胞聚集减少，小胶质细胞的基因表达受到抑制，同时伴随AD小鼠的学习记忆能力障碍（图5a-e）。类似地，作者构建了可诱导的小胶质细胞Il3Rα特异性敲除的5xFAD小鼠（Il3rafl/flCx3cr1CreERT25xFAD)，连续注射它莫昔芬后发现，IL-3Rα阳性小胶质细胞占比下降，同时伴随着更多的Aβ沉积和记忆功能障碍（图5f-i）。这些结果表明：IL-3介导的星形胶质细胞—小胶质细胞交流是小胶质细胞编程并改善AD病理的关键调节器（图5）。（知识补充：Cre-ERT2小鼠是一类含有雌激素受体（ER）的配体结合区突变体（ERT）与Cre重组酶的融合蛋白表达的小鼠。Cre-ERT2在无Tamoxifen诱导的情况下，在细胞质内处于无活性状态；当Tamoxifen诱导后，Tamoxifen的代谢产物4-OHT（雌激素类似物）与ERT结合，可使Cre-ERT2进核发挥Cre重组酶活性【13, 14】）
图5 星形胶质细胞IL-3或小胶质细胞IL-3Rα缺失加剧Aβ沉积和认知能力下降，回补IL-3减轻Aβ沉积和认知能力下降
（图片引自：McAlpine CS, et al., Nature 2021）
图6 总结图：IL-3在AD中的作用模型
（图片引自：McAlpine CS, et al., Nature 2021）
另外，文中结果显示，在AD小鼠模型和AD临床患者中，AD病理性变化均引起小胶质细胞IL-3Rα表达水平升高，而不影响星形胶质细胞IL-3的水平，这种不对称性，是否暗示我们，在AD模型或患者中，可能存在阻碍IL-3表达的信号通路或关键分子？其次，将rIL-3通过侧脑室（而非外周途径）注射到颅内，具有缓解AD小鼠病理变化和认知障碍的作用，说明IL-3介导的AD模型中小胶质细胞的保护功能具有剂量依赖性，并且IL-3只能通过中枢局部给药或产生。因此，在未来的工作中，深入研究调控IL-3表达的分子机制以及找到促进星形胶质细胞表达IL-3的小分子，对于改善AD症状具有重要的意义。
Aβ沉积是AD特征性病变的一种，IL-3在Aβ清除中发挥积极作用，那么这一作用是否适用于AD的另一种特征性病变，即神经纤维缠结的清除？在其他比如帕金森病，亨廷顿病，肌萎缩性侧索硬化等神经退行性疾病中，IL-3是否也有类似的神经保护作用，也是值得继续探究的问题。
总之，该研究揭示了来源于星形胶质细胞的IL-3，通过增强小胶质细胞的急性免疫反应能力和运动能力，促进小胶质细胞清除Aβ的能力，最终有效改善AD小鼠模型的病理变化和认知功能障碍（图6）。
原文连接：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03734-6
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制版︱王思珍