Nature:蔡立慧团队揭示ABCA7变异驱动阿尔茨海默病风险的机制
来源:BioArt 2025-09-21 14:05
研究系统解析了ABCA7功能缺失如何通过改变神经元膜脂组成,导致线粒体解偶联能力降低、膜电位升高与ROS增加,从而增强神经元兴奋性并推高Aβ分泌。
在所有已知的阿尔茨海默病(AD)遗传危险因素中,除APOE4之外,由过早终止密码子(premature termination codon, PTC)导致的ABCA7罕见功能缺失(loss-of-function, LoF)变异效应最为显著【1】。研究发现,ABCA7的常见单核苷酸多态性也与AD风险适度升高相关,这表明ABCA7功能障碍可能在人群中普遍存在并产生持续影响【2】。尽管遗传学证据一致指向ABCA7与AD的因果关系,但这些LoF变异究竟通过何种细胞和分子机制增加发病风险,长期未有清晰阐释。
作为一类ATP结合盒转运蛋白,ABCA7主要负责磷脂跨膜转运与膜不对称性的维持,并参与脑内脂质在不同细胞与区室间的分配【3】。动物研究表明,ABCA7缺失会加速淀粉样蛋白沉积,削弱星形胶质细胞与小胶质细胞的Aβ清除,并放大炎症反应;在人源细胞和组织中,脂质代谢紊乱也被认为是潜在AD致病原因【4】。
然而,上述发现大多来自全基因敲除或非特异性模型,对“患者真实携带的ABCA7 PTC变异”在不同脑细胞类型中的特异性效应缺乏系统性解析。换言之,ABCA7 LoF如何通过细胞特异的脂质稳态失衡、吞噬/自噬途径紊乱和炎症信号放大,共同推动Aβ负荷与神经毒性的级联反应,仍缺少直接证据。
近日,麻省理工学院蔡立慧实验室等在Nature杂志发表了题为ABCA7 variants impact phosphatidylcholine and mitochondria in neurons的研究文章,系统解析了ABCA7功能缺失如何通过改变神经元膜脂组成,导致线粒体解偶联能力降低、膜电位升高与ROS增加,从而增强神经元兴奋性并推高Aβ分泌。结合单核转录组、人源iPSC神经元及皮质类器官证据,研究提出“膜脂—线粒体—神经元兴奋”致病通路,并显示CDP-胆碱可逆转这些异常,提示脂质代谢重塑有望成为ABCA7相关AD的新型干预策略。
研究团队基于ROSMAP队列,分析12名ABCA7 PTC携带者及24名对照者的前额叶皮质(PFC BA10)样本,共获得102,710个高质量细胞。分析后发现,不同细胞类型的2,389个基因发生转录变化,涉及细胞应激与凋亡、突触功能、DNA修复和代谢等通路。小胶质细胞应激反应基因下调,星形胶质细胞与小胶质细胞转录调控增强,少突谱系细胞炎症通路发生异常;而神经元则表现为DNA修复基因上调、突触基因下调,而兴奋性神经元的细胞呼吸增强,甘油三酯合成减少。因此,ABCA7 LoF在多种细胞类型中引起特异且广泛的转录谱变化。
进一步比较snRNA-seq数据后发现,ABCA7在兴奋性神经元中的表达最高,提示其是受影响最显著的细胞类型。基因集富集分析揭示脂质代谢与线粒体功能、DNA损伤与细胞应激、突触信号传递是受ABCA7 LoF变异影响最为显著的生物学过程。皮层特异性分析同样证明ABCA7 LoF在兴奋性神经元中系统性影响能量代谢、脂质稳态与突触功能。
尽管ABCA7 LoF对AD风险效应显著,但因其罕见,仅能解释部分AD病例。研究进一步分析了常见的ABCA7错义变异p.Ala1527Gly,结果显示其在兴奋性神经元中的转录扰动方向与LoF一致,包括DNA损伤与蛋白酶体功能上调、脂质代谢下调、线粒体功能适度上调。分子动力学模拟提示,该变异可能降低脂质外排效率。这表明罕见LoF与常见风险变异通过相似机制提高AD风险,凸显ABCA7功能障碍的普遍意义。
接下来,作者通过CRISPR–Cas9构建了两种ABCA7 PTC诱导神经元(iNs),这两种变异会导致ABCA7蛋白严重截短或触发无义介导的mRNA降解。作者发现两种变异对转录表达谱的影响呈现高度相关性,并与ABCA7突变型前额叶样本的转录变化方向相符:脂质代谢下调,细胞周期和蛋白酶体活性上调,线粒体功能增强。这一系列表型确认了ABCA7 LoF直接导致兴奋性神经元在蛋白稳态、代谢和能量通路上的异常。进一步的线粒体功能检测及脂质组学分析发现,ABCA7 LoF变异通过降低线粒体解偶联能力,引发膜电位升高和氧化应激增加,影响线粒体功能,另一方面又通过诱导中性脂质积累及饱和PC含量增加,导致脂质代谢紊乱。
先前研究表明,外源性胆碱补充可逆转人星形胶质细胞中APOE4诱导的脂质缺陷,包括饱和度变化。作者因此测试了胆碱补充是否能缓解ABCA7 LoF诱导神经元(iNs)的表型。结果表明,CDP-胆碱处理会导致iNs中胆碱及CDP水平升高,PC合成增强,LPCAT3恢复,不饱和PC比例上升,中性脂质下降;同时,转录扰动显著逆转,线粒体膜电位与ROS水平恢复接近野生型。更重要的是,在6个月皮质类器官中,CDP-胆碱显著降低了Aβ40/42分泌,并抑制神经元过度兴奋。因此,CDP-胆碱通过增强PC合成和重塑,显著逆转ABCA7 LoF引起的脂质代谢、线粒体功能和氧化应激异常,还恢复了Aβ分泌和神经元兴奋性的异常,从而改善AD相关表型。
综上所述,本研究通过“患者基因变异—单核图谱—人源神经元—类器官”四重证据链,明确了ABCA7功能缺失如何沿着“膜脂失衡—线粒体解偶联能力降低—ROS增加—神经元兴奋性增强与Aβ分泌上升”的路径,加剧AD风险。此外,CDP-胆碱作为磷脂合成底物,能够在转录、代谢与功能层面显著逆转ABCA7 LoF导致的生理异常,提示以磷脂代谢重塑为核心的干预路径具有潜在转化价值。
需要指出的是,本研究主要依赖死后脑组织的转录组数据以及体外诱导神经元/皮质类器官模型,虽然三者结果相互印证,但仍难以完全还原在体脑环境下复杂的细胞—细胞互作与动态病程。此外,ABCA7的具体分子底物谱与转运机制尚未完全厘清,其与APOE4、TREM2等AD风险基因的交互作用也值得进一步探究。未来研究也应在动物模型和更大规模人群队列中检验“膜脂—线粒体—神经元兴奋”这一致病通路的普适性。
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09520-y
参考文献
1. Steinberg, S. et al. Loss-of-function variants in ABCA7 confer risk of Alzheimer’s disease. Nat. Genet. 47, 445–447 (2015).
2. Kunkle, B. W. et al. Genetic meta-analysis of diagnosed Alzheimer’s disease identifies new risk loci and implicates Aβ, tau, immunity and lipid processing. Nat. Genet. 51, 414–430 (2019).
3. Wang, N. et al. ATP-binding cassette transporter A7 (ABCA7) binds apolipoprotein A-I and mediates cellular phospholipid but not cholesterol efflux. J. Biol. Chem. 278, 42906–42912 (2003).
4. Satoh, K., Abe-Dohmae, S., Yokoyama, S., St George-Hyslop, P. & Fraser, P. E. ATP-binding cassette transporter A7 (ABCA7) loss of function alters Alzheimer amyloid processing. J. Biol. Chem. 290, 24152–24165 (2015).
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