Cell：微胶质细胞衍生的C1q调控衰老大脑蛋白质稳态的新机制
来源：生物探索 2024-08-23 10:15
这一系列实验结果共同证明了C1q在衰老大脑中的新功能，并突显了微胶质细胞和补体蛋白在神经元功能和认知健康中的重要性。
微胶质细胞（Microglia）是唯一来源于髓系的神经胶质细胞，它们起源于胚胎发育早期的卵黄囊，能够通过血液进入大脑，影响着大脑的健康和病理状态。近年来研究发现微胶质细胞通过产生和分泌补体蛋白C1q，对大脑的免疫反应、突触修剪、神经保护和修复等至关重要【1】。而C1q作为经典补体途径的启动者介导了发育和疾病相关的突触修剪，导致下游的补体蛋白C3的裂解和沉积，随后被表达补体蛋白受体3（CR3）的细胞识别并清除【2】。此外，C1q不仅在补体级联反应中起作用，还通过与神经元的互作，影响了大脑的发育和免疫稳态。
有趣的是，在正常衰老过程中，C1q积聚在大脑实质、突触和一部分GABA能中间神经元中。缺乏C1q的成年小鼠（C1qKO）的海马区可塑性增强，并且与同龄野生型（WT）小鼠相比，认知和记忆衰退情况缓解，这些效应不是通过补体途径（特别是C3）或成年突触消除的变化介导的【3】。因此，C1q可能在大脑中具有与经典补体途径无关但与衰老有关的新功能。此外，在衰老的灵长类和啮齿动物皮层中，C1q存在于突触末端、轴突和树突中，这暗示了C1q与衰老相关的功能可能是通过影响神经元内部互作而实现的。解析C1q在衰老过程中神经元和微胶质细胞互作等方面的作用，意义重大。
近日，哈佛大学波士顿儿童医院Beth Stevens实验室在Cell杂志发表了题为Microglial-derived C1q integrates into neuronal ribonucleoprotein complexes and impacts protein homeostasis in the aging brain的研究文章，作者通过非偏好性蛋白质组学方法对不同发育阶段脑组织中分离的突触体进行了C1q的互作分析，揭示了C1q与核糖体蛋白和RNA结合蛋白（RBPs）的衰老依赖性相互作用，并进一步揭示了这些相互作用调控了成年大脑神经元的蛋白质翻译和稳态，并潜在影响了小鼠的学习和记忆等大脑功能。
为了揭示衰老依赖性C1q与不同蛋白质的相互作用，作者从不同年龄段（年轻、中年、老年）的C57BL/6J小鼠大脑皮层组织中分离了粗突触小体，并使用针对C1q的高度特异性单克隆抗体进行了C1q免疫沉淀（C1qIP）和定量蛋白质组学分析。结果表明随着年龄的变化，C1q的互作模式发生了显著变化，并伴随发育过程从胞外蛋白转变为胞内蛋白。更为重要的是，作者发现C1q与不同年龄段小鼠大脑中的神经元核糖体蛋白（RNP）和RNA结合蛋白（RBPs）存在相互作用。
之前研究通过单细胞测序和细胞特异性C1q基因敲除发现大脑中的C1q蛋白水平在衰老过程中显著上升，且脑相关巨噬细胞是神经元C1q的来源【4】。而作者通过改进神经元免疫染色方法，发现与原位微胶质细胞相比，成年动物中更多的C1q蛋白与神经元共定位，并涵盖了多个脑区，包括海马和运动皮层。C1q编码基因条件性敲除证实微胶质细胞和脑相关巨噬细胞是神经元C1q的来源。进一步利用新构建的神经元核糖体特异性荧光标记小鼠，作者发现C1q在成年小鼠的神经元内部部分与RNP复合物原位共定位。
RNP复合物蛋白的明显特征是具有本征无序区（IDR），而C1q氨基酸序列的胶原样结构域内有一个高度可预测的IDR。将纯化的C1q蛋白与总RNA混合后，会形成液-液相分离（LLPS）的浓缩体，液滴形成依赖于C1q（非其他补体蛋白）和RNA的浓度，且胶原样结构域和IDR对于RNA依赖的C1q LLPS至关重要。这一机制显示C1q通过RNA介导的相互作用影响神经元的蛋白质稳态，说明C1q能与细胞内RNA形成功能性复合物。随后，作者在小鼠大脑组织切片中同样发现C1q与RNA存在共定位，且RNA 是 C1q 与体内神经元 RNP 复合物互作所必需的。
为了直接测试外源性胞外C1q蛋白是否能够在体内被神经元内化并与大脑中的RNP复合物融合，作者将纯化的小鼠C1q蛋白注射到神经元GFP-trap C1qKO小鼠的侧脑室中，并对分离的组织进行了C1q的免疫标记，证明了外源性C1q蛋白可以通过内吞依赖性方式在体内与神经元RNase敏感性RNP复合物融合。
为了更好地可视化神经元对C1q的摄取过程，作者制备了荧光标记的C1q蛋白（C1q-594），并进一步证明C1q的胶原样结构域在介导依赖内吞的活体神经元摄取中的重要性，还显示RNA在介导C1q的细胞内互作中的重要性。
RNP复合物存在于多个细胞区室内，并在一系列的生物学过程中均发挥了重要作用，包括RNA运输、蛋白质稳态以及局部翻译等。鉴于C1q富集在这些结构中，作者接下来检测了C1q是否在衰老过程中改变了神经元的蛋白质翻译。结果表明成年野生型小鼠大脑组织中与七聚体复合物相关的蛋白质显著富集，而C1q敲除小鼠大脑组织中则富集了线粒体蛋白质，可见C1q的全局性敲除导致大脑内神经元的翻译和蛋白质稳态发生了明显变化。神经元中突触运输和RNP复合物的调节在介导塑性驱动的学习和记忆机制中至关重要，作者因此探究了C1q在小鼠学习和记忆中调节功能，发现微胶质和大脑巨噬细胞中C1q的条件性敲除虽然不影响恐惧记忆的获取或检索，但C1q条件性敲除后小鼠恐惧记忆的消退功能受损，表明C1q对于正常认知功能和记忆维持至关重要，特别是在成年和衰老期。
模式图（Credit: Cell）
综上，作者通过非偏好性蛋白质组学技术、液-液相分离实验并结合基因敲除小鼠的行为学研究，发现C1q不仅在调控突触消除中发挥作用，大脑免疫细胞来源的C1q以年龄相关的方式整合到神经元RNP复合物中与RNA互作，并调控了成年大脑神经元的蛋白质翻译和稳态，并潜在影响了小鼠的学习和记忆。这一系列实验结果共同证明了C1q在衰老大脑中的新功能，并突显了微胶质细胞和补体蛋白在神经元功能和认知健康中的重要性。
参考文献：
1. M.I. Fonseca, et al. Cell-specific deletion of C1qa identifies microglia as the dominant source of C1q in mouse brain. J. Neuroinflammation, 14 (2017), 48.
2. B. Dejanovic, et al. Complement C1q-dependent excitatory and inhibitory synapse elimination by astrocytes and microglia in Alzheimer’s disease mouse models. Nat. Aging, 2 (2022), pp. 837-850.
3. D. Datta, et al. Classical complement cascade initiating C1q protein within neurons in the aged rhesus macaque dorsolateral prefrontal cortex. J. Neuroinflammation, 17 (2020), 8.
4. T.R. Hammond, et al. Single-cell RNA sequencing of microglia throughout the mouse lifespan and in the injured brain reveals complex cell-state changes. Immunity, 50 (2019), pp. 253-271.
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