β澱粉樣蛋白（Aβ）的異常積累是阿爾茨海默病（AD）的主要病理表現之一。但AD病程漫長，在觀察到Aβ沉積之前，AD已經悄悄進展多年，儘早發現AD的跡象，就能夠為治療留出足夠的視窗。

近期，卡羅林斯卡學院科研團隊在《分子精神病學》發表論文，研究者分析了兩種APP敲入AD模式小鼠疾病進展中的基因表達變化，發現其在病理表現建立之前，表現出顯著的高代謝現象，主要表現為氧化磷酸化活性上調。隨後出現Aβ病理，以及後續的神經炎症、線粒體功能下降、自噬受損並最終導致突觸紊亂。

研究中使用的模式小鼠分為兩種，一種敲入了APP瑞典突變（KM670/671NL）和I716F突變，這使得在APP水平不變的情況下，升高Aβ42比例，導致Aβ病理。APPNL-F小鼠在9月齡左右出現Aβ病理和突觸丟失，在18月齡表現出認知障礙。

另一種在前者的基礎上額外敲入了北極突變（E693G），病理出現得更早。APPNL-G-F小鼠在2月齡即出現海馬Aβ沉積，6月齡開始表現出記憶障礙和更明顯的神經炎症。

對小鼠海馬mRNA測序分析分為三個時間階段，針對海馬斑塊沉積前的2-6月齡，針對澱粉樣變性相關病理的6-12月齡，針對記憶障礙的12-18月齡。

試驗設計和差異表達基因數量

從圖中可見，APPNL-G-F小鼠的差異表達基因（DEG）數量要多得多。

表達差異最顯著的基因中，有很多參與神經炎症，例如Trem2、Ccl3、C4b、Nlrp3，以及脂質和能量代謝，例如ApoE、mt-Atp8和Cox8b。其他受影響的途徑包括蛋白質穩態和合成、突觸囊泡、炎症反應、細胞因子介導的訊號轉導等等。

有趣的是，這些途徑會隨著疾病的進展演變。在Aβ病理建立之後，炎症相關疾病會表現出顯著的加速上調，而蛋白質加工和突觸傳遞相關的通路下調。

研究者發現，能量相關的通路會在小鼠出現症狀之前表現出總體上調，隨後逐漸下調，與Aβ的細胞外積累呈負相關。

各階段差異表達最顯著的基因

mRNA測序和隨後的海馬轉錄通路分析顯示，氧化磷酸化（OxPHOS）是模式小鼠早期階段上調最多的通路之一。這與既往多組學研究中報導的線粒體功能相關共表達基因與Aβ負荷和認知能力下降相關性是一致的。

研究者分離了模式小鼠出現症狀前（分別為6月齡和2月齡）的海馬線粒體，分析其電子傳遞鏈（ETC），發現線粒體呼吸水平升高、產生ATP的能力增強。

此外，ETC上調增加了氧化應激的風險，小鼠線粒體活性氧水平也增加。結合Ca2+測定結果顯示，兩種AD模式小鼠的海馬線粒體在Aβ沉積之前就出現了功能受損。

上調的氧化應激相關基因

神經炎症是AD中常見的病理表現。分析相關訊號通路發現，在模式小鼠的早期階段/症狀前階段沒有觀察到炎症相關的生物學過程改變，炎症級聯與澱粉樣變性發生階段相近。此外，兩種模式小鼠中炎症狀態略有不同，炎症標誌物水平變化並不一致。

在小鼠疾病的晚期，研究者觀察到明顯的線粒體功能障礙和突觸結構紊亂。在Aβ斑塊周圍，可見突觸前面積和突觸囊泡數量明顯增加，並可見自噬體的積累。

後續分析顯示，自噬系統存在空間和時間依賴性的損傷。

突觸形態異常與線粒體丟失、囊泡增加和自噬體積累有關

這項研究透過對AD模式小鼠不同疾病階段的分析，發現了病理進展過程中的主要轉錄譜變化。主要發現可以總結為以下幾點：①以代謝亢進為主要特徵的線粒體功能早期變化；②神經炎症的出現；③與突觸前自噬損傷相關的線粒體功能下降。這些變化最終導致突觸前組織的異常，並帶來了隨後的突觸損傷和記憶力下降。

本研究為AD病理探索提供了新的時間視角，相信從中可以找到AD診斷和治療的新思路。

參考資料：

[1]Naia, L., Shimozawa, M., Bereczki, E. et al. Mitochondrial hypermetabolism precedes impaired autophagy and synaptic disorganization in App knock-in Alzheimer mouse models. Mol Psychiatry (2023). https://doi.org/10.1038/s41380-023-02289-4

來自： 奇點神思