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【转载】神经退行性疾病的免疫学基础
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转载自“闲谈 Immunology”
自从100年前首次描述神经退行性疾病以来，科学家们将神经元及其髓鞘退化等引起的一类疾病，称之为神经退行性疾病。人们常谈起的为慢性神经退行性疾病，如：阿尔茨海默病(AD)、帕金森氏病(PD)、路易体痴呆(DLB)和前颞叶痴呆(FTD)，亨廷顿病（HD）、肌萎缩性侧索硬化（ALS）、不同类型脊髓小脑共济失调（SCA）、Pick病等。还有急性神经退行性疾病，如缺血，脑损伤引起，及癫痫等。我们常谈起的分子基础的理解主要集中在包括蛋白质聚集和神经元丢失在内的大体解剖变化上。
然而，最近的基因组学、组织病理学等证据也指出免疫途径失调，包括细胞因子信号的改变、免疫细胞的增殖和迁移、吞噬功能的改变和反应性胶质细胞变性是神经退行性变的共同特征。
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神经退行性疾病的临床及病理改变
年龄相关的中枢神经系统神经退行性疾病有许多共同的、不同的临床和病理特征，包括大脑区域的选择性易损性和差异蛋白质聚集，影响其临床表现和免疫应答。
阿尔茨海默病是一种分子和基因复杂的疾病，其特征是广泛的突触和神经元丢失(随后导致脑体积损失)，并导致记忆和认知功能的逐渐下降，最终导致无法履行基本的日常功能和死亡。阿洛依斯·阿尔茨海默氏症于1907年首次出现，他注意到标记蛋白积累通常被称为斑块和缠结，但更重要的是也注意到免疫细胞(可能是小胶质细胞)在靠近斑块的地方存在(阿尔茨海默氏症，1907，1911年)。今天，我们知道细胞外斑块主要由淀粉样β(Ab)组成，细胞内的缠结是过磷酸化的Tau(Selkoe，2001)。按区域划分的“典型的”病理过程在淀粉样蛋白和Tau之间是不同的，尽管两者最终都严重影响了新皮层、内嗅皮层和海马区域,尽管有许多共同病理，但突触的丧失与认知能力下降的关系最为密切。
帕金森病的特征是运动症状，包括运动迟缓、震颤和僵硬。在随后的疾病过程中，一些PD患者还发展为临床痴呆，称为帕金森病痴呆(PDD)。病理上PD的特征也是标记蛋白聚集物，称为Lewy小体(Lewy，1923)，主要由a-syNucin(a-syn)蛋白组成。AD斑块中也存在α-syNucin，因为a-syn最初被称为AD患者大脑中斑块的“非淀粉样成分”。PD中的变性和蛋白质聚集从脑干扩展到黑质和其他中脑区域，然后扩展到新皮层(Braak等人，2004年)。在出现症状之前，黑质中产生多巴胺的神经元大量减少，随着疾病的进展，这些神经元似乎呈指数级加速。
路易体痴呆(DLB).在临床上，DLB痴呆通常通过存在包括音频和/或视觉幻觉在内的独特特征与AD相区别，DLB患者可能或可能没有运动症状(McKeith等人，2017年)，DLB的特点是存在路易体，类似于PD，尽管患者也可能表现出类似AD的淀粉样病变(McKeith等人，2017年Walker；) 与AD和PD类似，DLB患者表现出明显的突触和神经元丢失，但研究表明，路易体本身并不是在DLB或PD期间出现的第一个神经毒性机制，因为神经元丢失是在Lewy病理之前观察到的(Milber等人，2012年；Outeiro等人，2019年)。DLB的临床和病理异质性提示DLB可能代表一系列的疾病，可能具有不同的病因和/或潜在的机制，这使得包括免疫信号作用在内的许多疾病机制的研究更加复杂。
额颞叶痴呆(FTD)包括一系列可能不同的痴呆。病理上，3种蛋白病亚型的特征是：Tau蛋白病理、分子量为43 kda的TAR DNA结合蛋白(TDP-43)或融合型肉瘤(FUS)病理(Bang等人，2015年)。顾名思义，FTD中的神经变性、突触丧失和蛋白质聚集集中于额叶和额叶、前颞叶、纹状体(Bang等人，2015年)。
02
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神经退行性疾病与免疫
除了神经病理和临床特征，神经退行性疾病也同时出现慢性免疫功能和信号变化。在大多数神经退行性疾病中，脑实质免疫反应的主要细胞介质被认为是小胶质细胞，即大脑固有免疫细胞，来源于卵黄中原始的造血祖细胞。这些祖细胞迁移到胚胎发育中的大脑，成为大脑的常驻免疫细胞(Ginhoux等人，2010年；Yona等人，2013年)。小胶质细胞是高度动态的细胞，具有不同的稳态功能，包括突触修剪、神经发生和脑内平衡(哈蒙德)。其核心是先天免疫细胞，具有传统的相关作用，如组织监测、病原体清除和对伤害的反应。在神经退行性疾病中，小胶质细胞对其环境作出反应，迁移到损伤或损伤部位，分泌大量炎症分子，吞噬碎片和聚集蛋白(Heneka等人，2015年；Song和Colna，2018年)。越来越明显的是，小胶质细胞和免疫信号可能不仅仅是疾病过程中的次要因素，实际上甚至在疾病的早期阶段也会导致突触和神经元的丧失和致病蛋白的积累。虽然大部分研究集中在脑内小胶质细胞在免疫反应中的作用，但外周免疫系统也可能在神经退行性疾病的进展中发挥重要作用。许多研究集中于外周巨噬细胞在中枢神经系统免疫应答中的潜在作用和/或浸润。然而，由于表现型和小胶质细胞的高度重叠，很难区分周围巨噬细胞和脑实质内的小胶质细胞。基因表达然而，最近的两项研究发现，外周巨噬细胞在浸润时保持独特的特征，将外周浸润巨噬细胞与驻留的小胶质细胞区分开来(Bennett等人，2018年；Cronk等人，2018年)，为研究外周巨噬细胞在疾病相关免疫反应中的作用提供了潜在的标记和策略。
此外，虽然天然免疫系统一直是神经退行性疾病研究的焦点，但新的结果表明，适应性免疫系统(主要是T&B细胞)也可能在疾病进展中发挥重要作用。然而，研究神经退行性疾病中适应性免疫系统功能方面的许多研究相对较新，需要进一步研究，以了解适应性免疫在疾病过程中是如何适应的(Baird等人，2018年；Baruch等人，2015年；Marsh等人，2016年；Mosley等人，2012年)。
最后，值得注意的是，直接的外周细胞浸润并不一定是外周免疫影响中枢神经系统的必要条件。越来越多的文献表明，外周产生的可溶性信号分子可以进入大脑，影响小胶质表型和调节认知。Castellano等人，2017年；derecki等人，2010年；Katsimpardi等人，2014年；Marsh等人，2016年；Villeda等人，2011年；Villeda等人，2014年)
03
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关键信号通路
TGF-β信号通路
TGF-β是一种对先天免疫和适应性免疫功能都很重要的细胞因子，对大脑发育和功能也至关重要，因为它调节神经模式(Bond等人，2012年)、神经发生(Dias等人，2014年)、胶质发生(stipursky等人，2014年)、小胶质细胞发育(butovsky等人，2014年)、髓鞘发育(Palazuelos等人，2014年)和脑布线(yi等人，2010年)等。
Tgfb1基因敲除小鼠由于失控的外周炎症而早逝，其突触数目明显减少，大脑皮层变薄，死亡神经元增多(Brionne等人，2003年)。在大脑中存在三种转化生长因子亚型，即TGF-β1、TGF-β2和TGF-β3，它们在细胞表面或细胞外基质。Latent TGF-β，是最终的活性形式，然后释放，并结合到同型二聚体TGFβⅡ型受体(TgfbrII)，一种丝氨酸苏氨酸激酶受体。然后tgfbrII与TGFβⅠ型受体(TgfbrI)形成四聚体复合体。tgfbrI随后被磷酸化，一串Smad蛋白传导细胞内信号通路，从而调节基因转录(Kelly等人，2017)。在健康小鼠大脑中，小胶质细胞、内皮细胞和少突胶质细胞前体细胞的小胶质细胞、内皮细胞和少突胶质细胞中的Tgfbr1和Tgfbr2基因表达水平最高，其受体存在于大多数脑细胞类型中，包括神经元(Tesseur等人，2006年)。TGF-β1对正常的小胶质细胞的发育和调节其稳态状态是必不可少的。在不存在TGF-β1的情况下，小胶质细胞的转录谱发生了改变(butovsky等人，2014年)，其中包括下调小胶质细胞稳态标记，如tmem119和p2ry12，以及上调损伤相关标记Axl和APOE(Hammond等人，2019；Keren-Shaul等人，2017年)。这些转录变化发生在缺乏环境分子LRRC33的小鼠身上，而LRRC33是小胶质细胞TGF-β1信号转导所必需的(秦等人，2018；Wong等人，2017)。LRRC33(Nrros)基因敲除小鼠大脑中的小胶质细胞类似于大脑边缘巨噬细胞，较少分化，溶酶体含量增加，这是吞噬活性增加的一个指标(Schafer等人，2012年)。在AD患者的脑脊液和血清中发现TGF-β1蛋白的表达增加(Chao等人，1994年；Zetterberg等人，2004年)，以及PD患者的大脑中(MOGI等人，1995年)。在FTD和AD患者的大脑中也发现TGF-b2蛋白表达增加(Chong等人，2017年)。鉴于大量证据显示神经变性过程中存在小胶质细胞功能障碍，包括小胶质细胞吞噬活性的改变，因此AD和PD中的脑TGF-β信号改变可能会改变小胶质细胞状态并触发小胶质细胞吞噬功能的改变。（Salter和Stevens，2017）。沿着这些线，在APP突变小鼠中消融CD11c免疫细胞中的TGFBRI1显著降低了斑块。最初认为CD11c细胞浸润免疫细胞，但鉴于斑块相关的小胶质细胞表达CD11c(基因：ITGAX)(Ken-Shaul等，2017)，这些独特的小胶质细胞产生了观察到的表型是可能的。TGF-β信号发挥抗炎作用，主要是神经保护作用（Dobolyietal.，2012）。
在小鼠中，将TGF-β1输注到心室中防止Aβ低聚物诱导的突触丧失(Dinz等，2017)，以及TGF-β1的脑室内(ICV)注射或鼻给药可防止神经元死亡并限制注射AB低聚物的大鼠中的小胶质状态变化(Chen等，2015)。TGF-β神经保护作用不限于淀粉样病变。TGF-β1减少了黑质中多巴胺能神经元的MPTP诱导的变性，导致较高的存活率和降低的炎性细胞因子水平和减少的小胶质溶酶体含量(Tesseur等，2017)。TGF-β介导的神经保护的确切机制还是未知的，但毒性蛋白负荷的降低可发挥重要作用。在广泛表达的PRNP启动子下表达非功能性激酶缺陷型TGFBRI1的转基因小鼠表现出与年龄相关的神经变性和增加的淀粉样蛋白BETA积累和斑块形成(Tesseur等，2006)。相反，在Happ小鼠的星形胶质细胞中过度表达TGF-B1导致AB负荷和斑块形成的主要降低，小胶质细胞数量的大量增加，和改变的小胶质细胞形态(Wyss-Cogray等，2001)。当TGF-β1诱导时，降低的Aβ负荷可以是神经元固有的机制。白细胞介素样上皮间充质转化诱导剂(ILEI)的表达-一种降低小鼠Aβ生成和斑块负荷的因子(Hasegawa等人，2014年)。TGF-β还能阻止Aβ诱导的神经元细胞周期再激活和Tau过磷酸化(Caraci等人，2008年)。TGF-β可能间接刺激小胶质细胞吞噬Aβ。
总之，TGF-β信号的神经保护作用可能与改善神经元功能、减少脑内炎症分子的产生和小胶质细胞状态的改变有关。
补体级联信号
在老年大脑和几种神经退行性疾病中，补体级联补体因子高度上调（Stephan等，2012）。在AD(dejanovic等，2018)、PD(loeffleretal.，2006)、青光眼(Stevensetal.，2007)和许多其他疾病中发现了该途径分子增强。人体证据也补充了这些疾病中淀粉样斑块和LEWY体的级联活化，但最近动物模型中的证据表明，易损性突触也是早期疾病阶段的靶点，尤其是淀粉样变和Tau病理学模型（lui等人，2016）。补体途径的活化触发蛋白水解级联，导致活化蛋白片段在需要移除的细胞或结构的表面上沉积。该途径通常是已知的使病原体和受感染的细胞，但也是重要的。去除大脑中的神经结构。
有三种不同的补体途径：经典级联、凝集素途径和替代途径。级联涉及30多个蛋白质，并在其他地方对事件序列进行了详细的分析（Orsini等人，2014；SarmaandWard，2011）。在发育的大脑中，经典补体途径蛋白在视觉系统的细化过程中定位成发育轴突和突触，导致它们被表达补体受体3(CR3/CD11b)的小胶质细胞去除(Schafer等，2012；Stefan等人，2012；Stevensetal.，2007)。补体敲除小鼠显示改变的突触连接性(Chu等，2010)。
在AD的小鼠模型中的早期疾病发作期间，补体异常上调和沉积导致突触丧失和认知功能障碍，主要在广泛的蛋白质聚集形成和神经元死亡发生之前。消除CR3足以阻断寡聚Ab的全身注射后的突触丧失，表明小胶质细胞吞噬作用是补体介导的突触丢失的主要原因之一(Hongetal.，2016)。与这些结果一致，C3a受体1（C3AR1）的消融也在PS19模型中挽救了突触丧失和神经元死亡，这表明对沉积的C3的识别是病理学的主要驱动因素（Litvinchuketal.，2018）。抑制补体途径对于限制神经变性相关病理学的影响是有效的。抗C1q阻断抗体阻止了PS19小鼠的突触丧失（Dejanovicetal.，2018），在C3KO小鼠（Maieretal.，2008；Shietal.，2017）中，两个淀粉样变性小鼠模型的突触丢失和认知下降相反。C3-KO/APP-转基因小鼠和C3AR1-KO/PS19-转基因小鼠也表现出减少的小胶质溶酶体含量和星形胶质细胞GFAP水平，这表明C3在调节免疫细胞功能方面的可能作用(Litvinchuk等，2018；Shi等，2017)。有趣的是，尽管补体组分上调，但在PD模型中，在MPTP-毒性的小鼠模型中，补体系统似乎很少参与多巴胺能神经元丢失(DeepBoyluetal.，2011；Liang等，2007)。C1q或C3的丧失对nigrostri纹状体神经元的存活无影响。
除了与突触结合外，C1q直接结合AD、FTD和PD中的蛋白聚集体。C1q与Aβ结合，并在AD患者和APP小鼠模型中定位到斑块中。经典级联组分与PD中的Lewy体共存(Loeffler等，2006；Yamada等，1992)。Aβ也是补体途径的有效刺激因子，触发C1q和C3上调（洪etal.，2016；Lian等，2016）。然而，还不清楚补体标记是否降低了斑块负荷。虽然Aβ是补体通路的一个强有力的刺激因子，但潜在的遗传学也有可能调节通路的激活。最近的一项研究报道，APOE通过选择性结合C1q来抑制经典补体级联的激活。总之，补体通路通过导致神经元和突触丢失以及调节胶质反应而影响与神经变性相关的多种表型。目前尚不清楚补体是否在病理中起主要作用，或者通路的激活是否发生于神经元功能障碍或蛋白质聚集物的积累。最近发现补体受体1(CR1)是一种遗传危险因素(Lambert等人，2009年)，这为疾病的主要作用提供了第一个证据。
TREM2 信号通路网络
TREM2是在髓系细胞中唯一表达的细胞外受体。TREM2在骨中由破骨细胞高表达，在CNS薄壁组织中，其表达仅限于小胶质细胞(Saunders等，2018年；Zhang等，2016年)。它于2000年由Marco Colonna和他的同事首次克隆(Bouchon等人，2000年)，是人类6号染色体(小鼠chr)上一系列Trem和Trem样基因的一部分。发现后不久，一组纯合子的TREM2丧失功能变异被发现是一种非常罕见的遗传性疾病的原因之一，称为多囊脂肪膜性骨发育不良伴硬化性白质脑病(Plosl)或鼻-Hakola病(kl eurounemann等人，2005年；paloneva等人，2002年)。这种疾病的症状与我们现在所知道的TREM2基因表达相类似，因为plosl表现为大脑症状(如侵袭性额颞叶痴呆样综合征)和骨相关症状(Paloneva等人，2001年)。然而，PLOS是非常罕见的，直到2013年，只有少数几项研究在广告中对TREM2进行了研究。随后，两份报告相继发表了详细的调查结果，发现TREM2中罕见的SNP(导致氨基酸变化R47H)改变了AD风险，在APOE之外的任何AD风险基因中的几率最高的(图1)(Guerreiro等人，2013年a；Jonsson等人，2013年)。最近的分析发现，TREM2中的另一种SNP变异体也具有统计学意义(r62h；(Sims等人，2017年)，以及其他几种变异在AD患者中比对照组更普遍，但尚未达到显着性或尚未被复制，部分原因可能是这些变异在人口中缺乏(Carmona等人，2018年)。此外,纯合子的TREM2变异体也被发现是一种FTD形式的偶然变体(Carmona等，2018年；Chouery等，2008年；Guerreiro等，2013年a.)，而其他变异则显著增加了FTD风险(Carmona等人，2018年；Giraldo等人，2013年)。虽然一份初步报告表明TREM2R47H与帕金森氏病(rayaprolu等人，2013年)之间存在关联，但包括这些原始结果在内的更近期的Meta分析未能复制这一发现(Lill等人，2015年)。总之，这些结果表明，改变的小胶质细胞TREM2信号是足够加速神经退化，或在纯合子完全lof变异，足以引起神经退化。
目前的证据表明，R47H和r62h都是功能变异体的部分丧失，主要原因是对TREM2配体的亲和力降低(Kober等人，2016年；Kober和Brett，2017年；Song等人，2017年)。虽然TREM2-Ko小鼠与淀粉样小鼠模型杂交的初步研究结果略有争议，但最近的研究发现，这可能是由于用于评估病理、转基因小鼠模型和TREM2-Ko模型的时间点和检测方法的差异以及TREM2-Ko模型的差异(ulland和Colna，2018；yeh等人，2017年)。早期关于TREM2对Tau病理的影响的研究也有类似的问题。虽然一份报告发现，TREM2-Ko可以减少脑萎缩，但在转到PS19转基因Tau模型(leyns等人，2017年)时对Tau病理没有影响，但另一份报告发现，不同的TREM2-Ko小鼠与另一种TREM2-Ko小鼠杂交，加剧了Tau的病理(Bemiller等人，2017年)。
关于TREM2激活后的细胞内信号传导，大部分来自于对其配体酪氨酸激酶结合蛋白(tyrobp，俗称dap12)的研究。DAP12是一种滥交的适配蛋白，可与大量免疫受体结合，其中包括颤抖1、sirpb、pilrb和nkp 44（Hamerman等人，2009年；Turnbull和Colna，2007年)。TREM2需要与dap12结合才能发挥作用，因为TREM 2缺乏胞内信号域。为了介导细胞内信号传递，dap12含有一个基于免疫受体酪氨酸的激活基序(ITAM)。该结构域的磷酸化导致脾酪氨酸激酶(SYK)的合成，进而激活PI3K和PI3K。激活下游信号级联的PLCG，包括ERK、Akt、NF-kB和NFAT(Kober和Brett，2017；McVicar等，1998；MO，CSAI等，2006；MO：CSAI等，2010；Peng等，2010；Takahashi等，2005；Turnbull和Colonna，2007)。最近的一份报告发现，PLCG2中的罕见变体（P522R）在AD患者中是保护性的（SIMS等，2017）。
TREM2下游信号的激活导致许多不同的细胞效应功能，包括增殖、存活、细胞因子释放、吞噬作用和迁移的改变。目前的研究确定了几种潜在的TREM2配体，包括细菌(Daws等，2003；N"Diaye等，2009)阴离子脂质(Dawsetal.，2003；N"Diaye等，2009；Wang等，2015)，磷脂酸丝氨酸(P/S)(Cannon等，2012；Wang等，2015)，由AD风险基因ApoE、Clusterin(CLU/ApoJ)编码的蛋白质(Atagi等，2015；Bailey等，2015；Yeh等，2016）和潜在的Aβ（赵等，2018）。除了作为TREM2信号配体的风险变体之外，其它风险基因可以抑制Trem2。Gis风险位点INPP5D（SHIL1）显示通过结合DAP12抑制TREM2信号，防止招募PI3K（Pengetal.，2010）。此外，ITAM信号由ITIM信号(免疫受体酪氨酸激酶抑制基序)(Linnartzetal.，2010；Lowell，2011)和另一个AD风险基因CD33编码用于免疫细胞受体，其包含经典的ITIM结构域(克罗克和瓦基，2001；Hollingworthetal.，2011；Najetal.，2014)，因此可能对TREM2信号产生抑制作用。已经有一些研究针对CD33和Trem2之间的潜在相互作用。已发现几种受体直接结合P/S，包括TIM4、Ba1和TREM2（Cannon等，2012）。在所有提议的受体中，Trem2在小胶质细胞中表现出最高的基因表达(Hammond等，2019；Zhang等，2016)和Trem2对受损神经元的暴露的P/S的识别与Trem2，在小胶质细胞中的其它受体中，作为由神经变性激活的损伤传感器的作用相适应。根据Trem2作为传感器的模型，一致发现在淀粉样蛋白小鼠模型中交叉于Trem2-KO小鼠的小胶质细胞不再与淀粉样蛋白斑块紧密接近（Jayetal.，2015；Wang等，2015；源etal.，2016）。最近的证据还发现，在Trem2中携带AD风险变体的人AD患者也表现出与斑块病理学的小胶质细胞关联的降低（Parhizkaretal.，2019；源etal.，2016）。然而，问题仍然是TREM2究竟在介导微神经胶质迁移的斑块中还是在斑块周围。可能的是，小胶质细胞检测ApoE或Clusterin，它们都已被发现与Aβ相关，并且在人AD患者和小鼠模型中被发现(Calero等，2000；Holzman，2004；Namba等，1991)。在ApoE的情况下，新数据意味着在斑块中观察到的ApoE实际上可能是小胶质Trem2活化的结果。在AD小鼠中，小胶质细胞大量上调ApoE以响应淀粉样蛋白（Ken-Shauletal.，2017），且Trem2-KO和FTD（T66M）中的功能缺失Trem2变体均显著降低小鼠模型中斑块相关的ApoE（Parhizkaretal.，2019）。因此，潜在的循环涉及初始的微神经胶质反应，其导致ApoE的上调和分泌，导致与ApoE结合到斑块中的apoE改变淀粉样蛋白沉积，所述ApoE结合到Trem2并继续循环。通过证明APP/PS1小鼠与ApoE-KO小鼠交叉的工作支持该潜在周期显著减少了与斑块相关的小胶质细胞的数量（Ulrichetal.，2018）。
主要参考文献
Timothy R. Hammond，Immunity 50, April 16, 2019
Dejanovic,. Neuron 100, 1322–1336, e1327.
Dias, J.M., . Neuron 84, 927–939.
Gagliano. Ann. Clin. Transl. Neurol. 3, 924–933.
Guerreiro, . JAMA Neurol. 70, 78–84.
https://blog.sciencenet.cn/blog-3227923-1194163.html
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