《Current Opinion in Neurobiology》：Decoding Alzheimer's genetic risk through intercellular communication in the human brain: Lessons from
Clusterin
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这篇综述系统探讨了迟发型阿尔茨海默病（AD）的复杂遗传风险如何通过调控胶质细胞与神经元之间的通讯来驱动疾病。作者聚焦于丛生蛋白（CLU）等关键风险基因，整合大规模人脑组学数据、干细胞衍生共培养模型（如2D三细胞培养、3D类组装体）及异种移植等新兴技术，构建了一个以人为中心、可扩展的框架，旨在将基因型与细胞间信号传导的功能联系起来。综述强调，解码胶质-神经元互作紊乱是理解疾病机制和发现新疗法的关键。
引言：阿尔茨海默病大脑中的神经元-胶质细胞相互作用
阿尔茨海默病（AD）的研究视角正从“以神经元为中心”转向认识到胶质细胞是大脑功能和疾病进展的关键调控者。小胶质细胞和星形胶质细胞在突触维持、免疫监视和代谢支持中扮演着重要角色。越来越多的遗传证据表明，胶质细胞是AD易感性的核心驱动因素。众多迟发型AD（LOAD）的强风险变异，如位于APOE、TREM2、CD33、INPP5D和CLU等基因座上的单核苷酸多态性（SNPs），其表达在胶质细胞中高度富集，并调控脂质代谢、吞噬作用和炎症等通路。这些风险变异主要通过破坏胶质细胞与神经元之间的通讯来发挥作用，而并非仅指向神经元内在功能障碍。在这其中，丛生蛋白（CLU，也称为载脂蛋白J）和APOE已成为脂质代谢、炎症和胶质信号传导交汇点上的多功能调节因子。这篇综述将以CLU为案例，深入探讨细胞间通讯如何介导遗传风险。
解码细胞间机制的人脑数据集和干细胞模型工具
大规模人脑研究为理解遗传风险如何影响健康和疾病状态下的细胞状态及细胞间通讯提供了丰富且无偏见的见解。从单核到空间转录组和蛋白质组图谱的多组学数据集，使得追踪衰老和AD过程中的细胞类型轨迹成为可能。值得注意的是，Green等人应用BEYOND计算框架，揭示了两种不同的衰老轨迹：一种以阿尔茨海默病痴呆告终，另一种则反映了认知功能保存良好的衰老。
为了超越关联性研究，最近的研究应用了如NicheNet、CellChat、LIANA和Connectome等计算方法，从这些转录组数据集中推断细胞间通讯。例如，Tsartsalis等人将NicheNet应用于单核RNA-seq数据，推断出可能导致AD大脑中观察到的炎症和衰老相关血管病变的细胞间相互作用。
然而，这些尸检脑研究仅提供了生命末期、通常在广泛神经变性和胶质增生后的细胞和分子状态的静态快照。为了捕捉这些时间动态，用血浆或脑脊液（CSF）等可纵向获取的组织样本补充尸检脑分析很有价值。例如，纵向血浆和CSF测量已帮助确立了pTAU217作为领先的AD生物标志物。将这种方法扩展到遗传风险因素，研究变异相关的分子变化如何与神经病理学和认知衰退同步演变，可以提供对疾病机制的宝贵见解。
为了弥补这些关联性研究的不足，揭示因果机制或直接的细胞间效应，稳健且可重复的人类细胞模型至关重要。从2D共培养到日益复杂的3D系统，多种实验策略已出现，每种都有其独特优势。例如，本研究实验室开发了一种可重复且可扩展的二维三细胞培养系统，包含人诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞。该模型的一个核心创新是使用了统一培养基，能够在单培养和共培养条件下进行匹配的、细胞类型特异性的比较。该研究表明，星形胶质细胞促进了一个富集疾病相关基因的小胶质细胞亚群的出现，而在产生高Aβ的家族性AD神经元存在时，这种反应被抑制。
与此相关，Li等人最近开发了一种由iPSC衍生的星形胶质细胞、神经元和小胶质细胞组成的3D iAssembloid模型。将该系统与高通量CRISPRi筛选相结合，揭示了GSK3B在调节氧化应激反应中的作用，并发现了胶质细胞影响神经元健康的新途径。
为了纳入血管成分和其他胶质细胞群（如少突胶质细胞），Stanton等人引入了一种高度复杂的3D胶质神经血管模型（miBrain），它整合了神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞和血管细胞。该平台用于展示APOE4星形胶质细胞如何通过小胶质细胞信号传导促进神经元中的tau病理，突显了该模型在揭示疾病相关细胞间机制方面的效用。
为补充体外模型，将hiPSC衍生细胞异种移植到小鼠宿主中，为研究人类细胞在体内的行为和功能提供了一个强大的策略。例如，多个研究小组已证明iPSC来源的造血祖细胞在移植后成功植入并分化为人源小胶质细胞。这些细胞获得了离体人源小胶质细胞的基因特征，并对急性和慢性损伤表现出高反应性。最近，移植到经过改造表达人CSF1的免疫缺陷小鼠中，使得类成年人源小胶质细胞身份能够长期整合和维持。这些异种移植的小胶质细胞对病理有反应并参与AD相关过程，为探究难以在体外捕获的人类特异性细胞状态和细胞间相互作用提供了一个独特的平台。
这些实验系统提供了互补的优势，可用于剖析遗传变异如何影响细胞间信号传导，从体外的高通量机制研究到在完整大脑环境下的体内验证。将相同的iPSC系跨模型使用，可以进一步建立一个统一的比较框架，从而能够在多个生物学复杂性水平上直接评估基因型效应。当与尸检和纵向人类数据集结合时，这些方法创建了一个连贯的策略，用于将遗传变异与功能障碍的细胞间机制联系起来。
CLU：遗传风险驱动胶质-神经元功能障碍的范例
全基因组关联研究一致地将CLU的内含子变异确定为LOAD的风险因素。然而，由于其复杂的调控结构、适度的效应大小以及对多种生物学过程的参与，定义CLU在疾病发病机制中的作用一直充满挑战。最近结合人类遗传学、尸检组织的多组学分析、iPSC衍生模型和小鼠模型的研究，已经开始阐明CLU基因座风险变异的后果。这些数据共同将CLU定位为影响炎症信号传导、tau病理和突触韧性的胶质-神经元相互作用的关键调节因子。
尸检免疫组化研究表明，CLU蛋白在AD脑组织中增加，特别是在斑块相关区域和血管周围区域。强有力的证据表明，CLU表达的升高在AD中具有保护作用。小鼠研究表明，CLU缺失会加剧淀粉样蛋白沉积、促进tau病理并损害突触功能。我们实验室最近的工作通过研究人类细胞模型中的CLU风险变异扩展了这些发现，并证明它们再现了功能丧失表型。通过整合尸检脑数据、纵向血浆蛋白测量和来自遗传多样性ROSMAP供体的iPSC衍生星形胶质细胞，我们发现携带保护性CLU等位基因的个体在面对神经病理时会上调星形胶质细胞的CLU表达，而风险等位基因携带者则未能这样做，反而显示出炎症标志物升高。在iPSC衍生的星形胶质细胞中，CLU敲除增加了NFκB活性和包括补体C3在内的炎症介质分泌。这些效应可通过CLU过表达或NFκB抑制来逆转，从而确定CLU是星形胶质细胞反应性的负向调节因子。
使用上述2D三细胞培养模型，我们发现了小胶质细胞在介导星形胶质细胞CLU对神经元tau积累和突触密度影响中的作用。跨系统研究表明，CLU缺乏持续地反映了AD风险等位基因的效应，汇聚于星形胶质细胞和小胶质细胞之间失调的补体信号传导，并导致突触功能障碍。携带人源化CLU风险变异的小鼠表现出CLU蛋白减少和吞噬及补体基因表达增加，这与CLU敲除模型的结果相呼应。类似地，来自风险等位基因携带者的iPSC衍生星形胶质细胞显示出较低的CLU表达、增加的补体激活和更大的tau积累。支持这一模型的是，最近一项使用活体人脑器官切片的研究发现，CLU与tau在突触处共定位，为CLU可能调节tau相关的突触脆弱性提供了额外证据。
Zhao等人的一项补充性研究调查了一个不同的保护性CLU变异（rs1532278），发现它增加了神经元中的CLU表达，增强了神经元兴奋性，并促进了从神经元到星形胶质细胞的脂质转移。这些效应在无明显神经病理的情况下发生，表明CLU在调节脂质代谢和神经元活动方面具有稳态作用。
基于这些最新见解以及数十年来确立CLU在AD中功能作用的研究，我们提出了一个工作模型，其中不同的CLU变异跨时间和细胞类型作用，影响疾病进展。在没有神经病理的情况下，某些保护性变异似乎会增加神经元CLU表达，促进脂质转移并支持突触和代谢稳态。这可能使携带保护性等位基因的个体更能承受未来的病理压力。随着淀粉样蛋白和tau病理的积累，保护性变异增强了CLU表达，其主要作用位点似乎在星形胶质细胞中。CLU升高抑制了星形胶质细胞和小胶质细胞之间的炎症信号传导，有助于保持突触完整性并减缓认知衰退。
鉴于CLU在中枢神经系统（CNS）内外均有表达，并且血浆CLU水平在携带保护性等位基因的个体中随年龄增长而增加，我们假设这些变异促进了全身更强劲的CLU诱导。值得注意的是，运动后血浆CLU升高与改善记忆和减少脑部炎症相关，这提出了外周CLU（主要来自肝脏）通过全身和CNS效应促进韧性的可能性。这种更广泛的CLU介导的保护能力可能有助于解释携带保护性等位基因的个体如何能耐受更大的神经病理负担而不会出现相应的认知衰退。与此一致的是，保护性CLU变异破坏了尸检tau缠结病理与整体认知之间已确立的关联。常见的CLU风险等位基因可能并非施加直接的致病效应，而是缺乏那些较少见、与韧性相关的变异所赋予的保护功能。
结论与未来方向：迈向阿尔茨海默病机制发现的人本框架
随着AD风险位点目录日益完善，该领域现在已准备好从遗传关联研究转向机制解析。我们设想一个研究框架，其基础是在人脑组织数据和实验模型之间进行迭代式的假设生成和验证。尸检和纵向数据集可以指导机制假说，随后可在iPSC衍生系统中进行测试。反过来，实验结果可以优化对人类体内数据的解读。虽然小鼠模型仍然有价值，特别是随着它们在复杂性和人源化基因、变异及细胞方面不断进步，但跨物种无法重现的发现不应被视为局限。相反，这种差异可能揭示出独特的人类疾病相关过程，值得深入探索。
为了研究遗传风险如何在更广泛的细胞间网络内影响胶质细胞和神经元信号传导，我们主张使用跨多个复杂度层次的互补细胞系统。单培养、二维共培养和三维平台各有其独特优势。例如，一个二维三细胞培养模型揭示，小胶质细胞介导了星形胶质细胞CLU对神经元tau积累和突触丢失的影响。基于这些发现，使用更符合生理复杂性的系统（如iAssembloids或miBrain）可以揭示额外的调控层面，包括血管系统的贡献。考虑到CLU缺失已被证明在阿尔茨海默病小鼠模型中会将淀粉样蛋白沉积从脑实质转移到血管，这一点可能尤为重要。
这些多细胞模型也为组合式遗传扰动提供了平台。可以改变星形胶质细胞、神经元和小胶质细胞中的APOE、TREM2、CD33或CLU表达，以测试风险等位基因的组合如何影响炎症、突触功能或蛋白质聚集。最近Dodd、Enomoto等人的预印本研究支持这一方法，该研究表明CLU作为小胶质细胞上CD33的配体，并且这种相互作用在体外抑制了Aβ摄取。他们进一步假设，CLU–CD33相互作用以CLU表达依赖的方式调节淀粉样蛋白负荷。在较低的CLU水平下，抑制CD33信号传导可能会减少Aβ摄取，而较高的CLU表达可能会使这种效应饱和，从而让突触保护和炎症抑制等保护功能占据主导地位。未来使用共培养平台在星形胶质细胞中遗传扰动CLU、在小胶质细胞中扰动CD33的研究可以直接验证这一假说。
总的来说，这种方法为治疗发现提供了新的机会。最近的研究已经发现了能增加分泌型CLU并减少tau病理的小分子，展示了遗传和机制洞察如何指导可成药靶点的开发。展望未来，由大型人类队列数据集指导的可扩展共培养平台，对于识别和验证基于基因型的干预措施至关重要。通过结合尸检人类数据和实验上可处理的iPSC模型的优势，研究人员可以朝着一个更具预测性和精确性的阿尔茨海默病研究方法迈进——一个植根于人类遗传学、由细胞间通讯塑造并受机制理解驱动的方法。
