文章概述
唐氏綜合征（Down syndrome, DS），又稱21三體綜合征，是一種最常見的智力障礙疾病。已有的研究表明，DS是早發(fā)性阿爾茨海默�。ˋlzheimer’s disease, AD）的重要危險因素之一，幾乎所有的DS患者在40歲時都表現(xiàn)出AD神經病理，大約2/3的DS患者在60歲時出現(xiàn)AD癥狀。21號染色體編碼的基因在AD發(fā)病機制中起著關鍵作用，包括引起淀粉樣蛋白前體（Amyloid Precursor Protein, APP）的基因拷貝數增加、促進病理性淀粉樣蛋白生成等。21號染色體上的泛素特異性蛋白酶USP25的基因能夠調節(jié)AD中小膠質細胞穩(wěn)態(tài)，但是，USP25是否會影響淀粉樣蛋白的病理過程目前仍不清楚。2022年3月1日，廈門大學以及溫州醫(yī)科大學的研究團隊在《The Journal of Clinical Investigation》期刊上發(fā)表題為“USP25 inhibition ameliorates Alzheimer’s pathology through the regulation of APP processing and Aβ generation”的研究論文，該文章證實，USP25可通過減少APP和BACE1（APP剪切酶）的泛素化以及溶酶體降解，促進了APP的剪切以及Aβ的生成。該研究的結果揭示了從DS發(fā)展到AD的關鍵機制，同時提供了一種潛在的改善AD病理的新策略。

核心觀點

1、21號染色體三體加重了5×FAD小鼠（一種AD小鼠模型）大腦中的淀粉樣蛋白病變；

2、過表達USP25增加了5×FAD小鼠腦內淀粉樣蛋白沉積，而USP25基因缺失則減少了小鼠腦內淀粉樣蛋白沉積；

3、USP25通過減少APP和BACE1的泛素化以及溶酶體降解，從而促進APP的切割和Aβ的生成；

4、利用藥理學手段抑制USP25可以改善5×FAD小鼠大腦中淀粉樣蛋白病理。

研究結果分析

1. USP25基因拷貝數增加可加重AD小鼠淀粉樣蛋白的病理改變

為了研究21號染色體三體是否影響了AD的病理，研究者通過利用5×FAD 小鼠和Dp16 小鼠（一種DS小鼠模型）進行雜交，形成了一種DS-AD聯(lián)合小鼠模型。利用免疫印跡分析證實，與5×FAD 小鼠相比，DS-AD小鼠皮質中USP25、APP和APP-羧基末端片段（APP- CTFs）的表達明顯上調。組織免疫熒光結果顯示，在5月齡的DS-AD小鼠海馬中，病理性的淀粉樣斑塊沉積更加顯著。考慮到USP25 基因位于21號染色體上，為了確定USP25是否影響DS-AD背景下的淀粉樣蛋白病理，研究者5×FAD小鼠與BAC-Tg-USP25小鼠（USP25過表達小鼠）雜交。組織免疫熒光結果顯示，在6月齡的5×FAD:BAC-Tg-USP25小鼠海馬中，其病理性淀粉樣蛋白斑塊數量較5×FAD小鼠顯著增加，這表明將USP25基因本身拷貝數上調就足以加重AD小鼠的Aβ的病理。

 

2. Usp25基因缺陷可緩解AD小鼠淀粉樣蛋白病理

與同窩野生型（Wild Type, WT）小鼠相比，Usp25 -/-小鼠沒有表現(xiàn)出體重和認知行為異常。但是，對于Usp25基因缺陷是否會影響淀粉樣病變仍是未知的。通過將Usp25+/-小鼠與5×FAD小鼠雜交，產生了5×FAD:Usp25+/-小鼠。研究者評估了5×FAD:Usp25+/-小鼠的學習記憶能力，發(fā)現(xiàn)Usp25基因缺陷改善了AD小鼠在水迷宮測試和條件恐懼測試中的認知表現(xiàn)。隨后，研究者檢測了AD小鼠淀粉樣蛋白斑塊沉積情況，與5×FAD 小鼠相比，6月齡的5×FAD:Usp25+/-小鼠皮質和海馬中淀粉樣蛋白斑塊沉積減少；并且通過ELISA檢測到，AD小鼠Usp25下調能夠顯著降低皮層和海馬中可溶性Aβ40和Aβ42的水平。此外，高爾基染色結果顯示，5×FAD小鼠皮質中樹突棘存在缺陷，而5×FAD:Usp25+/-小鼠中得到恢復。這些結果表明，Usp25表達下調能夠緩解5×FAD小鼠的淀粉樣蛋白病理和突觸缺陷。

 

 

3. USP25能夠調節(jié)淀粉樣蛋白APP的加工過程

Aβ的產生源于β和γ分泌酶對跨膜前體APP的剪切。為了確定USP25下調引起的淀粉樣蛋白沉積的減少是否源于APP加工過程的改變，研究者通過免疫印跡分析對APP加工通路中各種蛋白表達進行了表征。結果顯示，Usp25缺乏降低了6月齡5×FAD:Usp25+/-小鼠皮質中APP及其剪切產物（α-和β- CTFs）的水平；而過表達USP25顯著增加了6月齡BAC- Tg-USP25小鼠皮質中APP和BACE1的表達。

 

與在體實驗結果一致，在人源過表達APP的SH-SY5Y-APP751細胞中，敲除USP25能夠顯著減少細胞內Aβ40和Aβ42的分泌。此外，敲除USP25能夠減少APP、APP-CTFs、sAPPβ、BACE1的表達。另外，在APP過表達HEK293T細胞中過表達USP25能提高APP蛋白水平。抑制溶酶體降解能夠廢除過表達USP25所引起APP的改變。并且過表達USP25還會導致BACE1的表達增加，而過表達泛素則會降低BACE1表達水平，這表明USP25通過BACE1的泛素化來調控BACE1的表達。這些結果表明，USP25通過上調淀粉樣蛋白加工通路的各種成分，如APP和BACE1，來增加Aβ的積累。

4. USP25促進BACE1的去泛素化和APPβ的剪切
為了確定USP25調控APP加工和Aβ生成的潛在分子機制，研究者進一步驗證了USP25與APP以及BACE1之間的相互作用。USP25過表達減少了APP多聚泛素化的數量，而USP25敲除增加了BACE1多聚泛素化的水平。并且通過耗竭USP25介導的APP和BACE1降解可被抑制蛋白酶體和溶酶體降解途徑所逆轉。

 

此外，研究者利用梯度蔗糖進行了亞細胞分離，發(fā)現(xiàn)USP25過表達增加了BACE1在高爾基體中的積累。為了進一步證實USP25對BACE1轉運的影響，研究者利用質膜分離實驗，觀察到USP25過表達顯著減少了細胞表面BACE1的分布，進一步的免疫染色分析顯示，過表達USP25后，BACE1進入RCAS1陽性高爾基體比例增加，BACE1與APP共定位的比例增加。這些研究結果表明APP和BACE1是USP25底物，這些成分的轉運/加工可以通過USP25介導的去泛素作用來調控。

 

5. 抑制USP25可改善AD小鼠的淀粉樣病變

研究者利用重組的USP25體外催化系統(tǒng)找到了一個可以強力抑制USP25酶活性的化合物AZ1。進一步的免疫印跡分析證實，AZ1能夠顯著降低了5×FAD小鼠皮質中APP和APP- CTFs的含量。為了評價抑制USP25對體內淀粉樣蛋白沉積的作用，研究者在5×FAD小鼠腹腔連續(xù)注射USP25抑制劑AZ1（20 mg/kg/d，28天）。隨后，通過組織學分析，觀察到注射AZ1的5×FAD小鼠大腦中淀粉樣蛋白斑塊的數量有所減少。并且，AZ1也會減少LAMP1和ATG9A表達陽性的營養(yǎng)不良神經突的數目。這些結果表明，通過藥物抑制USP25活性可以改善AD小鼠模型中淀粉樣蛋白的負荷。

 

6. USP25的表達與AD患者大腦病理變化相關

研究者進一步利用AD患者和年齡相匹配的對照組的臨床尸檢樣本比較了大腦中USP25表達水平，偶發(fā)性AD患者大腦中USP25蛋白的水平與對照組并無差別；然而利用Spearman相關分析發(fā)現(xiàn)，AD患者皮質中USP25和APP、BACE1以及Aβ42之間的量存在正相關。提示USP25介導的淀粉樣蛋白通路在AD發(fā)病機制中的潛在作用。

 

總結

由于泛素-蛋白酶體系統(tǒng)是所有細胞中主要的蛋白質降解途徑，因此泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的功能障礙可導致多種神經退行性疾病，包括AD、DS、帕金森病和亨廷頓病。該研究證實了21號染色體三體加劇了DS-AD小鼠模型中AD相關的淀粉樣蛋白的病變。USP25除了會擾亂小膠質細胞的穩(wěn)態(tài)，還可以通過調節(jié)APP加工和Aβ生成在淀粉樣蛋白的沉積中發(fā)揮作用。此外，利用藥理學手段抑制USP25逆轉了5×FAD小鼠大腦中淀粉樣蛋白的病理進展，提示抑制USP25活性可能是減輕AD淀粉樣蛋白沉積的有效策略。總之，該研究結果表明，DS相關的USP25通過調節(jié)APP的加工和降解，在AD相關的淀粉樣蛋白病理中發(fā)揮作用，這也為AD的治療（尤其是DS患者中）提供了一個潛在的藥理學靶點。

 

亮點研究方法

這項工作為了闡述USP25在AD淀粉樣病理中的作用機制，用到了細胞培養(yǎng)、WB、免疫共沉淀、免疫組化等多種細胞分子研究手段以及行為學評估。瑞沃德深耕神經科學研究領域近20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務，可提供的該研究中涉及的細胞培養(yǎng)、免疫組化以及行為學的完整解決方案。截止目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外 100 多個國家和地區(qū)，客戶涵蓋全球700+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發(fā)表SCI文章12000+，獲得行業(yè)廣泛認可。