The EMBO Journal：新策略有助于恢复运动神经元TDP-43病理和轴突运输缺陷
肌萎缩性侧索硬化症（ALS）是一种成人发作的神经退行性疾病，终生风险为300分之一。运动皮层，脑干和脊髓中的运动神经元退化，导致进行性四肢肌肉无力，发声障碍，吞咽困难和呼吸功能不全。
在98%的患者中，含有TAR DNA结合蛋白43 kDa（TDP-43）的胞质内含物是病理标志，这表明散发性和家族性中都涉及TDP-43功能障碍。此外，在额颞痴呆（FTD）的患者中，也有多达50％的患者观察到TDP-43夹杂物。
在某些阿尔茨海默氏病（AD）患者的大脑中也发现了TDP-43聚集，具有临床上无法区分的AD表型。最近，在与年龄有关的脑病中也发现了TDP-43病理学，并且在80岁以上的人中发现了约25％。这些发现扩大了与TDP-43相关的疾病的范围，并突出了理解这些病理基础的分子机制的重要性。迄今为止，尚未开发出针对TDP-43病理学的治疗方法。
2021年3月10日，鲁汶大学鲁汶脑研究所（LBI）Philip Van Damme团队在The EMBO Journal上发表了标题为：“HDAC6 inhibition restores TDP-43 pathology and axonal transport defects in human motor neurons with TARDBP mutations”的文章。
该研究使用等位基因特异性标记细胞系直接将TDP-43病理学与患者iPSC衍生的运动神经元中的轴突转运缺陷联系起来。研究发现，通过使用CRISPR/Cas9对突变进行遗传校正或通过使用选择性HDAC6抑制剂进行处理，可以消除病理标志和轴突运输缺陷，同时强调了iPSC衍生的运动神经元作为ALS/FTD的临床前模型的价值，并强调了HDAC6抑制剂对TDP-43蛋白病的治疗潜力。
尽管TDP-43聚集是ALS/FTD病理的关键特征，但很少有研究在iPSC衍生的细胞模型中对此进行了详细研究。以前有报道称，携带VCP突变的iPSC衍生的运动神经元显示TDP-43定位错误，而具有TDP-43突变的神经元显示出不溶性TDP-43增强水平。
因此，研究团队对分化的运动神经元进行了分级实验，以量化TDP-43的水平。首先，蛋白质印迹分析表明，与对照相比，突变运动神经元中总TDP-43蛋白水平更高。其次，与对照运动神经元相比，突变型TDP-43运动神经元的可溶性TDP-43水平相似。然而，在突变株系中不溶性TDP-43的水平升高了。
这些发现表明，该iPSC模型显示出通常与ALS / FTD相关的TDP-43功能障碍，表现出TDP-43的不溶性增加和C末端裂解。（如图一）
图一：突变体TDP-43运动神经元中不溶性TDP-43和c端TDP-43片段水平升高
为了探讨观察到的TDP-43蛋白病是否与神经元缺陷有关，该团队研究了轴突运输。作者用MitoTracker-RED处理了突变型TDP-43和健康对照iPSC衍生的运动神经元，并进行了活细胞成像。
作者使用运动记录仪评估了线粒体沿着神经突的运动能力，与对照组相比，突变型TDP-43运动神经元的运动线粒体百分比和数量显着减少，固定线粒体数量增加。该研究表明突变的TDP-43 iPSC衍生的运动神经元在沿神经突的线粒体转运中表现出缺陷。（如图二）
过去的研究显示TDP-43和组蛋白脱乙酰基酶6（HDAC6）之间的直接相互作用在将TDP-43螯合到细胞质中发挥作用，并已知HDAC6在错误折叠的蛋白质的降解中起作用，并且抑制HDAC6可以刺激伴侣蛋白表达。因此，作者评估了选择性HDAC6抑制剂Tubastatin A对突变TDP-43 iPSC衍生的运动神经元中观察到的TDP-43病理学的影响。
作者用Tubastatin A处理了iPSC衍生的运动神经元12 h，并使用免疫荧光染色和Western blot评估了TDP-43的水平。HDAC6抑制作用使在突变TDP-43品系中观察到的升高的TDP-43蛋白水平正常化。
可溶性水平保持不变，不溶水平显着降低。Tubastatin A处理不影响对照品系中TDP-43的水平，不溶性或CTF的水平，这表明该处理可特异性逆转由突变TDP-43引起的缺陷。（如图三）
图三：HDAC6抑制剂通过降低突变体TDP-43 ipsc源性运动神经元中不溶性TDP-43的水平和c端片段减少总TDP-43的水平
此外，HDAC6抑制可挽救TDP-43的细胞质定位错误，并将TDP-43的异常磷酸化恢复至正常水平。（如图四）
图四：HDAC6抑制剂可恢复突变的TDP- 43ipsc衍生运动神经元亚细胞定位错误和异常磷酸化
由于Tubastatin A可以恢复TDP-43病理并且据报道可以挽救包括ALS在内的神经退行性疾病中的轴突运输缺陷，因此作者探讨了Tubastatin A对突变型TDP43 iPSC中轴突运输缺陷的影响。
与对照相比，用Tubastatin A处理12小时可恢复突变TDP-43运动神经元中轴突线粒体的运动能力，并减少了固定线粒体的数量，而线粒体的总数保持不变。
这些发现证实，Tubastatin A有效且特异性地抵消了突变型TDP-43诱导的运输缺陷，同时不影响基线运输水平。（如图五）
图五：HDAC6抑制剂修复突变体TDP-43 ipsc衍生运动神经元的线粒体转运缺陷
综上所述，HDAC6抑制是一种有希望的治疗方法。HDAC6在聚集体形成和清除错误折叠的蛋白质中起作用。基于这个角色先前已经在与蛋白质聚集相关的其他神经退行性疾病的临床前模型中成功测试了HDAC6的抑制作用，例如阿尔茨海默氏病，帕金森氏病，遗传性痉挛性截瘫，多聚谷氨酰胺病和Charcot-Marie-Tooth病等。
此外，HDAC6挽救了在TDP-43 iPSC模型中观察到的线粒体运输缺陷，进一步支持了TDP-43蛋白病与轴突运输缺陷之间的联系。所有这些发现均通过TDP-43相互作用组分析得到反映，其中HDAC6抑制能够使突变型TDP-43相互作用组正常化。
总之，本研究证实了ALS中的轴突运输缺陷和TDP-43病理，并显示HDAC6抑制作用可以抵消TDP-43病理的早期阶段。因此，当HDAC6抑制剂能够穿越脑血屏障时，将成为TDP-43蛋白病的有前途的治疗选择。
校审： Simon (Brainnews编辑部)
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