在揭開阿爾茨海默�。ˋD）神秘面紗的過程中，科學(xué)家們長期關(guān)注淀粉樣β（Aβ）斑塊的作用和淀粉樣前體蛋白（APP）的突變。然而，最近的研究揭示了APP功能的另一個方面，它可能在疾病的早期階段發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。比利時的一個研究小組調(diào)查了過表達野生型人類APP對GABA能傳導(dǎo)的影響，這是大腦抑制信號傳遞的一個關(guān)鍵過程（可參考文獻：Overexpression of wild-type human amyloid precursor protein alters GABAergic transmission）。
 

以前的研究結(jié)果表明，APP過度表達可導(dǎo)致小鼠網(wǎng)絡(luò)過度興奮和癲癇樣棘波，但具體機制尚未完全清楚。新研究以這些發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，探討了APP在γ-氨基丁酸（GABA）能傳導(dǎo)中的作用。具體來說，研究人員調(diào)查了介導(dǎo)GABA抑制作用的GABA A型受體（GABAARs）和GABA B型受體（GABABRs）的表達和功能。通過使用過表達野生型人類APP的小鼠模型，研究人員深入了解了APP如何影響神經(jīng)元功能，并強調(diào)了APP對阿爾茨海默�。ˋD）和唐氏綜合癥（DS）等神經(jīng)退行性疾病的潛在影響。

 

淀粉樣蛋白在神經(jīng)退行性疾病中的重要性

APP 是一種高度保守的單通道跨膜蛋白�？茖W(xué)界仍在努力確定 APP 的確切生理作用，但我們確實知道它的新陳代謝產(chǎn)生了 Aβ 的前體，并在老年癡呆癥的發(fā)病過程中發(fā)揮了核心作用。Aβ肽是由β位點APP裂解酶（BACE1）和含presenilin的γ-分泌酶肽依次裂解APP產(chǎn)生的，此時它們可以聚集成不溶性的淀粉樣纖維，形成淀粉樣斑塊，導(dǎo)致神經(jīng)變性，這是AD病理生理學(xué)的標(biāo)志。
 

雖然注意力缺失癥的研究歷來側(cè)重于 Aβ 斑塊在疾病進展中的作用，但越來越多的證據(jù)表明，突觸功能障礙發(fā)生在注意力缺失癥的早期，而且可以獨立于淀粉樣蛋白斑塊的形成而發(fā)生與淀粉樣蛋白斑塊的形成無關(guān)（可參考文獻：Impairments of neural circuit function in Alzheimer's disease）。針對Aβ斑塊形成或淀粉樣蛋白沉積的臨床試驗基本上都不成功，這一點在這些臨床試驗中體現(xiàn)得最為明顯。雖然使用阿杜單抗等單克隆抗體藥物治療Aβ斑塊的前景看好，但其療效仍有待商榷。
 

但是，APP 的作用遠不止于注意力缺失癥：它還與 DS 有關(guān)，DS 是一種神經(jīng)退行性疾病，其特征是 21 號染色體的三倍體。DS患者罹患注意力缺失癥的風(fēng)險大大增加，同時還伴有癲癇發(fā)作活動和癲癇。AD和DS之間重疊的神經(jīng)病理學(xué)表明，至少存在一些共同的致病機制，這些機制可能與APP有關(guān)--APP在調(diào)節(jié)興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)之間的平衡中發(fā)揮著重要作用。值得注意的是：在小鼠模型中，導(dǎo)致腦電圖異常的是 APP 的過度表達，而不是 Aβ 的過度產(chǎn)生，如 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過度興奮（可參考文獻：Genetic Suppression of Transgenic APP Rescues Hypersynchronous Network Activity in a Mouse Model of Alzeimer's Disease）和癲癇樣電波（可參考文獻：Behavioral and neural network abnormalities in human APP transgenic mice resemble those of App knock-in mice and are modulated by familial Alzheimer’s disease mutations but not by inhibition of BACE1）。顯然，APP的表達水平值得進一步研究。

 

APP、GABA和神經(jīng)傳遞

如果我們看一下興奮性神經(jīng)傳遞，APP會調(diào)節(jié)N-甲基-D-天冬氨酸受體（NMDAR）的販運和表面表達，NMDAR是突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶中的一個關(guān)鍵角色。值得注意的是，激活 NMDAR會降低 APP的表面表達，從而促進淀粉樣蛋白的生成。在過量表達野生型 APP 的小鼠以及表達瑞典雙突變 APP 的小鼠中，α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（AMPAR）在神經(jīng)元中的表達和功能會降低，這與人類的早發(fā)性阿爾茨海默�。‥OAD）相似。
 

另一方面是抑制性神經(jīng)傳遞，其中的主要角色是 GABA，通過 GABAARs 和 GABABRs 發(fā)揮作用。GABAAR 介導(dǎo)的反應(yīng)取決于細胞內(nèi)的氯離子濃度，而氯離子濃度則受氯離子轉(zhuǎn)運體的調(diào)節(jié)。Na+-K+-2Cl- 共轉(zhuǎn)運體 NKCC1 和 K+-Cl- 共轉(zhuǎn)運體 KCC2 之間的平衡會影響神經(jīng)元膜上的 Cl- 梯度，進而影響 GABAAR 介導(dǎo)的抑制反應(yīng)。這些轉(zhuǎn)運體表達或功能的任何變化都會破壞 GABA 能抑制。值得注意的是，在神經(jīng)元成熟過程中，NKCC1 和 KCC2 的表達水平會發(fā)生變化，導(dǎo)致 GABA 能信號從興奮性轉(zhuǎn)向抑制性，這也被稱為GABA 轉(zhuǎn)移。
 

比利時研究小組此前的研究表明，在大腦皮層細胞培養(yǎng)物中過表達APP會下調(diào) KCC2 的表達，從而破壞 GABA 的轉(zhuǎn)變而 NKCC1 的水平不變，從而導(dǎo)致抑制性 GABA 反應(yīng)減弱。有趣的是，APP 能直接與 KCC2 相互作用，從而維持其在細胞表面的穩(wěn)定性和功能。
 

此外，APP 在 GABA 能中間神經(jīng)元中高度表達，是 GABABR 復(fù)合物的一部分。APP 與BGABABRs的結(jié)合可促進它們的軸突運輸、表面表達和突觸前抑制；這種相互作用還可保護APP免受BACE1的淀粉樣蛋白分解。.此外，可溶性 APP（淀粉樣蛋白生成和非淀粉樣蛋白生成裂解途徑的產(chǎn)物）已被證明能與突觸前 GABABRs結(jié)合、調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。

 

深入了解APP和GABA能信號傳導(dǎo)

有鑒于此，比利時研究人員開始探索APP在GABA能信號傳導(dǎo)中的作用，而不依賴于Aβ斑塊和APP突變。他們廣泛使用了一種在PDGF啟動子下過表達野生型人類APP（hAPPwt；I5系）的小鼠模型，該模型適度增加了APP的水平，但Aβ肽和淀粉樣斑塊的形成卻微乎其微。
 

研究人員計劃利用這種小鼠模型來揭示APP如何影響GABA能傳導(dǎo)的復(fù)雜機制，從而揭示APP在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用，并最終為了解潛在的病理生理學(xué)提供有價值的見解。這些發(fā)現(xiàn)可以為開發(fā)針對APP相關(guān)突觸功能障礙的新型治療方法鋪平道路，為治療涉及GABA能信號異常的疾病提供新的途徑。

 

APP過表達會影響認(rèn)知和行為

研究人員從更宏觀的影響入手，發(fā)現(xiàn)在小鼠體內(nèi)過量表達APP會導(dǎo)致神經(jīng)元缺失和電生理異常。即使在沒有淀粉樣蛋白斑塊和Aβ水平較低的情況下，他們也能看到這些影響。為了補充這些數(shù)據(jù)，他們進行了行為測試，以評估 hAPPwt 小鼠的認(rèn)知和情感功能。這些小鼠在完成空間工作記憶和空間參照記憶任務(wù)時表現(xiàn)出認(rèn)知功能障礙。此外，hAPPwt小鼠還表現(xiàn)出焦慮的跡象，包括在新環(huán)境中探索行為的減少和對照明區(qū)域厭惡感的增加。
 

為了了解所觀察到的認(rèn)知障礙和神經(jīng)元改變背后的機制，研究人員進行了體內(nèi)和體外實驗，以評估神經(jīng)元的興奮性和突觸可塑性。顱內(nèi)腦電圖（EEG）記錄顯示，hAPPwt小鼠出現(xiàn)異常尖峰和過度興奮，使用突觸前GABABR激動劑治療后可緩解這種情況。體外場電位記錄顯示，hAPPwt小鼠的短期促進作用增強，長期電位（LTP）增強，這表明突觸傳遞發(fā)生了改變。

 

GABA水平與APP過度表達

研究的主要發(fā)現(xiàn)之一是，APP的過度表達會導(dǎo)致神經(jīng)元過度興奮，表現(xiàn)為異常腦電圖模式和LTP增加。然而，研究人員未能觀察到GABA能（抑制性）或谷氨酸能（興奮性）受體系統(tǒng)成分或GABA生成能力發(fā)生任何顯著變化。研究人員通過西部印跡法研究了海馬 GABA 蛋白水平，使用的抗體包括 Anti-GABA(A) α1 Receptor (extracellular) Antibody (#AGA-001), Anti-GABA(A) α3 Receptor (extracellular) Antibody (#AGA-003), 和 Anti-GABA(A) α5 Receptor Antibody (#AGA-025)（圖 1）。
 

然而，研究結(jié)果表明，hAPPwt小鼠海馬中的GABA水平有所下降（但谷氨酸的含量沒有變化）。進一步的研究表明，GABA水平的降低可能是由于可溶性APP片段作用于突觸前GABABR，從而減少了GABA的釋放。施用GABABR拮抗劑成功地降低了興奮性，這表明所觀察到的興奮性增加是由于GABA含量降低所致。

 

過表達 APP 蛋白水平的變化

圖 1.6 月齡雄性hAPPwt小鼠主要GABA能和谷氨酸能受體的蛋白水平。(a) 在 hAPPwt（n = 4）和對照（n = 4）動物的海馬組織裂解液中測量 GABA 能受體蛋白水平的定量和代表性 western 印跡，包括 GABABR 和 GABAAR α1、α2、α3 和 α5 亞基。(b）hAPPwt（n = 4）和對照組（n = 4）動物海馬組織裂解液中檢測的谷氨酸能受體亞基 NMDA 受體（GluN2A、GluN2B）和 AMPA 受體（GluA1、GluA2）的定量和代表性 Western 印跡。蛋白質(zhì)量與β-微管蛋白歸一化，并以百分比表示（數(shù)值為均值 ± SEM；*P ≤ 0.05，經(jīng)韋爾奇校正的雙尾非配對 t 檢驗）。 Kreis, A, et al..

 

APP過表達時的結(jié)構(gòu)變化

除了神經(jīng)傳遞的變化和對行為的影響，研究還調(diào)查了海馬的結(jié)構(gòu)變化。對大腦切片的 Nissl 染色顯示，hAPPwt 小鼠的海馬體變薄，并伴有神經(jīng)元死亡（經(jīng) caspase-3 陽性染色證實），尤其是在 CA1 區(qū)域（圖 2）。
 

重要的是，該研究強調(diào)，在沒有明顯淀粉樣斑塊形成且 Aβ 水平較低的情況下，也能觀察到這些效應(yīng)。

 

APP過表達誘導(dǎo)大腦結(jié)構(gòu)變化

圖2.雄性 hAPPwt 和年齡匹配的對照組動物在 3-24 個月大時海馬 CA1 區(qū)的形態(tài)學(xué)變化。(a）比較 hAPPwt 和年齡匹配的對照組幼仔海馬 CA1 區(qū)的 Nissl 染色矢狀腦切片，從 3 個月大開始一直到 12 個月大。箭頭所指的是 hAPPwt 小鼠在 12 個月大時出現(xiàn)的深色 Nissl 染色神經(jīng)元，這是神經(jīng)元死亡的標(biāo)志。在 12 個月大的 hAPPwt 小鼠中，神經(jīng)元變性和死亡通過 caspase-3 染色得到證實。(b-d）對 3、6 和 12 月齡 hAPPwt 動物及年齡匹配的同卵動物 CA1 區(qū)存活神經(jīng)元的量化。細胞核呈圓形和淺色染色的神經(jīng)元被認(rèn)為是存活的，而萎縮和深色染色的細胞被認(rèn)為是死亡的。數(shù)據(jù)以 hAPPwt（n = 8）和對照組（n = 8）小鼠各年齡組 CA1 切片（300 μm × 300 μm）的存活神經(jīng)元數(shù)量表示。(e）24 個月大的 hAPPwt 小鼠海馬 CA1 區(qū) Nissl 染色的矢狀腦切片顯示神經(jīng)元變性的橫向進展，這從深色 Nissl 染色神經(jīng)元的存在可以看出。切片取自0.06 毫米、1.08 毫米和1.56 毫米處；數(shù)值為平均值 ± SEM；***P ≤ 0.001，****P ≤ 0.0001，雙尾非配對 t 檢驗）。圖片和圖例來自 Kreis, A, et al. Sci Rep 11, 17600 (2021).

APP在無淀粉樣斑塊情況下的作用

這項引人入勝的研究旨在探索在沒有突變或淀粉樣斑塊形成的情況下，APP如何調(diào)節(jié)興奮性和抑制性神經(jīng)傳遞。借助過量表達中等水平野生型人類APP的小鼠模型，研究人員發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)錐體細胞減少，并伴有表明細胞死亡的Caspase陽性細胞。這些發(fā)現(xiàn)表明，GABA能神經(jīng)元和谷氨酸能神經(jīng)元都可能受到影響。過量表達 hAPPwt 還會導(dǎo)致成人神經(jīng)發(fā)生受損，并在腦電圖記錄中檢測到異常的同步尖峰活動，即使在 Aβ 水平較低且沒有淀粉樣斑塊形成的情況下也是如此。
 

結(jié)果似乎表明，hAPPwt 及其非淀粉樣蛋白代謝物導(dǎo)致了所觀察到的異常和過度興奮，這支持了之前對的觀察結(jié)果。研究還發(fā)現(xiàn)，hAPPwt小鼠的APP胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（AICDs）和磷酸化tau水平升高，這可能會導(dǎo)致神經(jīng)變性和興奮性升高。
 

這項研究強調(diào)了APP在突觸部位的存在，表明它在影響神經(jīng)傳遞方面的作用。具體而言，研究發(fā)現(xiàn) hAPPwt 小鼠 GABA 受體亞基的表達發(fā)生了改變，包括與非條件焦慮相關(guān)的 α2 亞基的增加。GABA 能信號傳導(dǎo)的平衡受陽離子-氯化物轉(zhuǎn)運體的調(diào)節(jié)，而之前的研究表明 APP過表達會影響KCC2的表達。而本研究卻出人意料地發(fā)現(xiàn)，在 hAPPwt 小鼠中，KCC2 和 NKCC1 的水平保持穩(wěn)定。
 

如果我們把目光轉(zhuǎn)向 GABA，研究就會發(fā)現(xiàn) APP 與抑制性 GABABR 之間的相互作用。APP-GABABR1a復(fù)合物的形成保護了APP免受裂解，并減少了Aβ的產(chǎn)生。研究還發(fā)現(xiàn)，在hAPPwt小鼠中，可溶性APP片段（sAPPα和sAPPβ）的產(chǎn)生增加，這些片段與GABABR1a結(jié)合，減少了神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。
 

總之，這項引人入勝的研究強調(diào)了APP在GABA能傳導(dǎo)中的作用，與淀粉樣斑塊或突變無關(guān)，并強調(diào)了增強GABA能抑制以預(yù)防早期癲癇發(fā)作和神經(jīng)元過度興奮的潛力。這有助于我們了解神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的突觸功能障礙，并可能為開發(fā)針對與APP相關(guān)的興奮和抑制信號異常的治療方法提供新的見解。