撰文︱王思珍
小膠質細胞（microglia）功能失調與神經退行性變密切相關，其中就包括阿爾茨海默症（AD）的發病機制，然而調控致病性小膠質細胞的基因表達的機制尚不清楚。
研究發現，絕大多數AD進展的常見風險因子，或者特異性地在小膠質細胞表達，亦或者是小膠質細胞中的表達明顯高於大腦的其他細胞【1】。此外，小膠質細胞增生是許多神經疾病的一種常見組織學特徵；而且由小膠質細胞和星形膠質細胞所調控的慢性神經炎症是AD的病理學特徵之一。
研究也表明，轉錄因子CCAAT/增強子結合蛋白β（CCAAT/enhancer binding protein beta，簡稱c/EBPβ）調節小膠質細胞的促炎基因【2】；而且c/EBPβ的蛋白水平在AD中上調【3】。c/EBPβ調控小膠質細胞的轉錄程序，促進炎症和神經元細胞死亡。
基於以上研究背景，美國基因泰克（Genentech）公司的Vishva M. Dixit博士和Kim Newton博士團隊旨在揭示該轉錄因子在小膠質細胞內中是如何被調控的。其相關研究已於2020年8月13日以Ubiquitin Ligase COP1 Suppresses Neuroinflammation by Degrading c/EBPβ in Microglia為題在線發表於Cell。
首先，值得注意的是，研究團隊發現，在小鼠骨髓源性巨噬細胞中（BMDMs）中，c/EBPβ的翻譯後機制受到嚴格的調控；但這並不能反映在其轉錄本中的變化。所以，緊接著，研究者通過質譜的方法在BMDMs中鑑定了一種c/EBPβ的負調節因子COP1，也稱RFWD2，是一種多亞基cullin-RING泛素連接酶CRL4COP1/DET1的底物接合分子（substrate adaptor）。同時，團隊也發現：COP1對於小鼠原代小膠質細胞和巨噬細胞中c/EBPβ蛋白水平的翻譯後抑制至關重要。
我們已經從背景知識學習到：c/EBPβ調控小膠質細胞的轉錄程序，促進炎症和神經細胞死亡。那麼，緊接著的一個問題是：Cop1是否調控體內某些特定基因的表達？結果發現，當特異性地敲除Cop1時，小膠質細胞的身份發生了深刻的變化，而且會誘導小膠質細胞中與神經退行性變相關基因（lec7a、Cst7、Axl、Apoe、Itgax/Cd11c、Fth1、C3（補體通路基因）、Ifitm1等）、促炎基因（Ccl5、Cxcl2、Cxcl10等）、以及內穩態基因（比如P2ry12、Tmem119、Mertk等）的表達。值得注意的是，誘發表達的基因中有明顯與AD風險相關因子（如Apoe、Itgax、C3），且補體通路激活會致使神經元死亡。此外，幹擾素相關的一些基因也在Cop1缺失的小膠質細胞中上調了。這些結果證明：Cop1基因缺失會明顯導致促炎基因和神經退行性變基因的誘導表達。
接下來，染色質免疫沉澱反應測序（ChIP-seq）分析顯示，在原代小膠質細胞和BMDMs中，COP1的敲除會導致c/EBPβ與遠端增強子元件（組蛋白H3上賴氨酸4的三甲基化（H3K4me3）、組蛋白H3上賴氨酸27的乙醯化（H3K27ac））的結合；在對c/EBP遠端結合位點的從頭基序分析（De novomotif analysis）中，發現c/EBPβ通過與促炎基因增強子域的結合來調控促炎基因的表達。已有研究表明，小膠質細胞增強子的遺傳變異與AD的發病機制有關【4】，同時，實驗也顯示，當在小膠質細胞中敲除COP1，神經元的死亡明顯增多。這部分結果則說明：c/EBPβ主要通過增強子區域來調控促炎基因的表達。
那麼，再接下來的另一個問題是：COP1敲除的小膠質細胞是否對c/EBPβ所導致的神經毒性更加易感呢？結果首先證實，在小膠質細胞中敲除COP1會促使c/EBPβ的迅速積累、並驅動強有力的促炎和神經退化相關基因的表達。而在敲除COP1的小膠質細胞中，再敲除Cebpb（編碼c/EBPβ），神經毒性得到了阻止，且趨化因子和細胞因子的分泌也降低了，即緩解了神經炎症，增加了神經元存活。這部分結果提示：COP1敲除小膠質細胞在體外表現出c/EBPβ依賴性的神經元殺傷。
激活性小膠質細胞可以通過補體級聯通路直接攻擊神經元，這一個過程由C1q和經典途徑所啟動【5】。結果進一步顯示，由敲除COP1小膠質細胞所引發的神經元丟失可以被促炎性細胞因子的抗體明顯阻止，特別是C1q抗體，該抗體可以在神經元中阻斷C1q的結合。因此，作者認為：致使神經元死亡的神經毒性由補體的激活所導致。
研究最後，值得關注的是，補體通路的過度激活與各種神經系統疾病中的神經元損傷有關，其中，C3蛋白尤其在伴有tau病理的AD人腦突觸中進行積累【5】；而且AD患者腦脊液中完整的和加工過的C3水平均升高，並與tau蛋白水平相關【6】。所以，小膠質細胞中Cop1的缺失是否會影響表達人源突變Tau蛋白（P301S）的轉基因小鼠的AD樣疾病進展。
的確，實驗證實：c/EBPβ促進COP1敲除小膠質細胞中C3基因的表達，這一結果與之前的報導相一致：c/EBPβ是C3基因表達的主要轉錄因子【8】。然後的實驗也表明，較未敲除COP1的Tau-P301S小鼠而言，敲除COP1小鼠的神經退行性變和海馬萎縮更加明顯，且腦萎縮程度與異常磷酸化Tau水平上升、與小膠質細胞增生和星形膠質細胞增生的加重相一致。這些實驗則綜合表明：Cop1的缺失加速了Tau介導的AD小鼠模型疾病進展，激活性的小膠質細胞發揮了有害的作用。
（圖片引自：Ndoja et al., 2020, Cell182, 1–14）
文章結論
這項研究確定COP1可以作為由c/EBPβ介導的神經炎症的「剎車」。在激活性刺激（如脂多糖）條件下，COP1以一種依賴於ERK（即細胞外信號調節激酶）的方式迅速失活，這致使c/EBPβ的快速積累和促炎基因的表達。而該「剎車」的缺失可能導致慢性神經炎症，而神經炎症會促進AD的發病機制。該研究也提示，COP1是小膠質細胞中致病性c/EBPβ依賴基因表達的重要抑制因子。
最後，c/EBPβ雜合性所賦予的細胞保護作用提示了該轉錄因子可能是一個藥物靶點。雖然，目前研究者認為轉錄因子是很難被靶向的，但是降解型的化學誘導劑可能是靶向c/EBPβ的一種選擇。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.011
參考文獻：
【1】Lambert, J.C., et al.. European Alzheimer’s Disease Initiative (EADI); Genetic and Environmental Risk in Alzheimer’s Disease; Alzheimer’s Disease Genetic Consortium; Cohorts for Heart and Aging Research in Genomic Epidemiology (2013). Meta-analysis of 74,046 individuals identifies 11 new susceptibility loci for Alzheimer’s disease.Nat. Genet.45, 1452–1458.
【2】Straccia, M., et al.. (2011). Pro-inflammatory gene expression and neurotoxic effects of activated microglia are attenuated by absence of CCAAT/enhancer binding protein b.J. Neuroinflammation8, 156.
【3】Wang, Z.H., et al. (2018). C/EBPb regulates deltasecretase expression and mediates pathogenesis in mouse models of Alzheimer’s disease.Nat. Commun. 9, 1784.
【4】Nott, A., et al. (2019). Brain cell type-specific enhancerpromoter interactome maps and disease-risk association.Science366, 1134–1139
【5】Dejanovic, B., et al. (2018). Changes in the Synaptic Proteome in Tauopathy and Rescue of Tau-Induced Synapse Loss by C1q Antibodies.Neuron100, 1322–1336.
【6】Kirk, R.A., Kesner, R.P., Wang, L.M., Wu, Q., Towner, R.A., Hoffman, J.M., and Morton, K.A. (2019). Lipopolysaccharide exposure in a rat sepsis model results in hippocampal amyloid-b plaque and phosphorylated tau deposition and corresponding behavioral deficits.Geroscience41, 467–481.
【7】Hernandez-Encinas, E., et al.. (2015). CCAAT/enhancer binding protein b directly regulates the expression of the complement component 3 gene in neural cells: implications for the pro-inflammatory effects of this transcription factor. J.Neuroinflammation12, 14.