神经元与星形胶质细胞中干扰素-α/β受体1（IFNAR1）的独立及联合缺失破坏脑能量代谢并驱动帕金森样痴呆

《Journal of Biomedical Science》：Distinct and combined interferon-ɑ/β-receptor-1 loss in neurons and astrocytes disrupt brain energy metabolism and drive Parkinsonian dementia

摘要

背景
失调的干扰素-α/β受体1（IFNAR1）信号近来被证实参与散发性帕金森病（PD）向伴痴呆的帕金森病（PDD）的进展。脑内IFNAR1缺失在衰老过程中的分子、细胞及表型影响尚未在体内（in vivo）得到探索，而这可能揭示新的疾病机制与治疗靶点。

方法
研究人员采用单核RNA测序（snRNA-seq）、液相色谱串联质谱（LC–MS/MS）、功能代谢作图、流式细胞术、定量聚合酶链式反应（qPCR）、原位杂交、免疫荧光与免疫组织化学、Western blotting以及行为学分析，在体内研究IFNAR1缺失所引发的分子、细胞与表型影响。

结果
IFNAR1在脑内主要细胞类型之间的基础表达存在差异，包括神经元与星形胶质细胞；与未受影响对照相比，其在PD和路易体痴呆患者中还表现出差异性改变。Ifnar1^–/–小鼠中神经元和星形胶质细胞特异性的转录组与蛋白质组改变提示：IFNAR1缺失可导致线粒体缺陷、线粒体自噬（mitophagy）障碍以及协同性的神经传递功能失调，并进一步引起经功能代谢分析测得的葡萄糖高代谢。相应地，Ifnar1^–/–小鼠表现出类似PDD的发病过程，包括黑质（substantia nigra）多巴胺能细胞丢失、皮层神经退行性变、类路易小体包涵体、神经炎症以及进行性PDD样行为缺陷。体内对脑细胞特异性IFNAR1缺失的研究进一步揭示，PDD样表型的发生呈延迟但彼此不同：仅在缺失神经元IFNAR1的小鼠中重现了神经病理学改变以及运动和认知行为缺陷，而仅在缺失星形胶质细胞IFNAR1的小鼠中重现了类似神经精神异常的行为。

结论
IFNAR1在脑稳态与线粒体稳态中发挥关键作用，其缺失可导致类似PDD的神经退行性变和神经病理改变。神经元与星形胶质细胞IFNAR1缺失所致差异性神经病理与行为结局，强调了在细胞特异性背景下理解神经退行性疾病病理生理机制的必要性。

试验注册
本研究不包含临床试验，故不适用。

本文发表于《Journal of Biomedical Science》。该研究聚焦于散发性帕金森病（PD）向帕金森病痴呆（PDD）进展的关键机制。既往研究已提示，I型干扰素（Type-I IFN）信号，尤其是干扰素-β（IFNβ）与干扰素-α/β受体1（IFNAR1）的相互作用，在PDD发生中具有重要作用；与此同时，PDD与路易体痴呆（LBD）、阿尔茨海默病（AD）在神经炎症、胶质增生、Tau蛋白和淀粉样β（Aβ）病理以及脑能量代谢异常等方面具有交叉特征。然而，脑内不同细胞类型中IFNAR1的基础表达、其在衰老及神经退行性病程中的细胞特异性作用，以及IFNAR1缺失如何联结线粒体稳态、能量代谢、神经传递异常与PDD样表型，尚缺乏系统体内证据。基于此，研究人员围绕神经元与星形胶质细胞中的IFNAR1开展研究，旨在阐明其在维持脑稳态中的作用，并解析其缺失是否足以驱动PDD样神经病理和行为异常。

研究人员首先结合人脑公开单核RNA测序数据与小鼠体验证，描绘IFNAR1在不同脑细胞中的表达分布，并比较其在PD和LBD患者中的改变。随后，在全身性Ifnar1^–/–小鼠中整合单核RNA测序（snRNA-seq）、液相色谱串联质谱（LC–MS/MS）蛋白质组学与¹³C同位素示踪功能代谢分析，系统评估IFNAR1缺失引发的分子和代谢后果。进一步地，研究人员构建神经元特异性缺失模型Syn1Cre;Ifnar1^fl/fl和星形胶质细胞特异性缺失模型GFAPCre;Ifnar1^fl/fl，用于解析不同细胞群体的独立贡献。研究最终表明：IFNAR1是脑和线粒体稳态的核心调控因子，其缺失可导致线粒体功能障碍、线粒体自噬受损、氧化应激增强、葡萄糖高代谢、神经炎症以及PDD样病理与行为损害；其中神经元IFNAR1缺失足以诱导黑质多巴胺能神经元退变及运动、认知障碍，而星形胶质细胞IFNAR1缺失则主要驱动类似神经精神异常与痛觉敏化的行为。该研究的重要意义在于，将IFNAR1定位为连接免疫调节、线粒体质量控制、脑能量代谢与神经退行性病变的关键节点，并强调必须在细胞特异性层面理解神经退行性病理生理。

本研究主要采用以下关键技术方法：研究人员调用Allen Brain Institute及公开患者snRNA-seq数据库分析人脑IFNAR1表达；在小鼠皮层开展snRNA-seq与LC–MS/MS蛋白质组学整合分析；采用急性脑片¹³C同位素示踪结合GC–MS/HPLC进行功能代谢作图；并通过原位杂交、免疫荧光、免疫组织化学、Western blotting、流式细胞术与qPCR进行验证。动物模型包括Ifnar1^–/–、Ifnb^–/–、Syn1Cre;Ifnar1^fl/fl及GFAPCre;Ifnar1^fl/fl小鼠；人类样本信息主要来自公开单核转录组队列中的未受影响对照、PD和LBD供体。

以下结合论文结果部分各小标题进行解读。

IFNAR1 is differentially expressed in human brain cell types and is affected in patients with PD and LBD
研究人员首先分析健康人脑主要细胞类型中的IFNAR1表达。结果显示，IFNAR1在兴奋性神经元、抑制性神经元、少突胶质细胞、少突胶质前体细胞（OPCs）和小胶质细胞中均有表达，但星形胶质细胞中的基础表达明显较低。小鼠脑内原位杂交联合细胞标记也证实，神经元Ifnar1表达高于星形胶质细胞。进一步比较公开的PD和LBD患者皮层单核数据后发现，IFNAR1及相关I型干扰素基因在不同细胞群中的改变具有疾病和细胞类型特异性；尤其在LBD中，多巴胺能神经元和小胶质细胞的IFNAR1表达更低，而IFNβ在PD和LBD多巴胺能神经元中均降低。该部分结论说明，IFNAR1在脑内并非均一表达，且其失衡与PD/LBD相关，为后续细胞特异性机制研究奠定基础。

Single nuclei (sn)RNA-seq in Ifnar1^–/– brain revealed PD-related changes in neuronal and astrocytic mitochondrial genes and neurotransmission
在1.5月龄Ifnar1^–/–小鼠皮层中，snRNA-seq显示谷氨酸能神经元、GABA能神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质细胞均出现差异表达改变，其中谷氨酸能神经元变化最多。基因集富集分析提示，神经元中“Parkinson’s disease”相关通路显著富集，且其核心富集基因大多为线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）相关基因，提示早期线粒体异常是重要特征。同时，谷氨酸能和GABA能神经元均出现与囊泡转运、受体信号和神经传递相关通路紊乱；星形胶质细胞则表现为能量代谢、线粒体功能和神经传递支持相关通路异常。该结果表明，IFNAR1缺失并非仅引发单一炎症反应，而是早期重塑了神经元和星形胶质细胞的代谢—突触功能状态，提示PDD样病理可能起源于细胞特异性的线粒体与神经传递失衡。

Protein alterations in Ifnar1^–/– brains suggest disrupted neurotransmission
为检验转录改变是否转化为蛋白水平异常，研究人员比较了Ifnar1^–/–与野生型小鼠皮层和海马的蛋白质组。结果显示，区域间和基因型间均可清晰分离，且ISG15在皮层和海马中均显著降低，与转录组结果一致。皮层中，Nrxn2、Chmp1a、Myo5c等涉及突触重塑、内体分选和细胞器转运的蛋白发生改变；海马中，Them4、Slc5a7、Dock10等涉及线粒体调节、胆碱能神经传递和突触形态发生的蛋白表达异常。该部分表明，IFNAR1缺失导致的细胞特异性转录改变，最终汇聚为与神经传递、线粒体调控和神经元存活密切相关的蛋白质网络紊乱。

Integrated Omics revealed mitochondrial dysfunction, defective mitophagy and elevated oxidative stress upon IFNβ-IFNAR signaling loss
研究人员进一步整合转录组与蛋白质组数据，发现线粒体与代谢通路是最突出的共同受损模块。之后通过组织学与细胞实验验证线粒体质量控制异常：Ifnb^–/–和Ifnar1^–/–小鼠神经元中Optineurin与TOMM20共定位增加、COXI积累，提示受损线粒体清除障碍；氧化DJ-1（oxDJ-1）和8-hydroxy-2’-deoxyguanosine（8OHdG）升高，提示氧化应激增强。原代星形胶质细胞和神经元中，Ifnar1缺失均扰动磷酸化Optineurin（p-Optineurin）水平；在CRISPR/Cas9构建的δIfnar1 N2a细胞中，p-Optineurin下降、TOMM20升高，而IFNAR1过表达可将二者恢复至野生型水平。该部分直接证明IFNAR1参与促进线粒体自噬并维持线粒体稳态，其缺失导致缺陷线粒体堆积和氧化损伤。

Mitochondrial defects upon Ifnar1^–/– alters neurotransmitter synthesis and glucose hypermetabolism
基于线粒体异常，研究人员进一步分析脑能量代谢。尽管Ifnar1^–/–与野生型在皮层和海马的基础氨基酸池水平无显著差异，但采用[U-¹³C]glucose示踪后发现，Ifnar1^–/–脑片中柠檬酸、α-酮戊二酸、苹果酸和天冬氨酸的¹³C积累增加，提示三羧酸循环（TCA cycle）活性增强，即葡萄糖高代谢。与此同时，谷氨酸合成在皮层和海马中升高，GABA合成在皮层中尤为显著。利用[1,2-¹³C]acetate进一步探查星形胶质细胞代谢后，研究人员观察到海马若干代谢物标记增强，提示星形胶质细胞相关能量代谢也受影响。该部分结论表明，IFNAR1缺失导致脑内葡萄糖利用增强和神经递质合成改变，提示异常兴奋性神经传递与代偿性代谢重编程并存。

Ifnar1^–/– mice develop PDD-like neuropathology, behavior deficits, and neuroinflammation
在病理层面，Ifnar1^–/–小鼠出现广泛神经退行性改变。6月龄时，皮层、海马和嗅球NeuN阳性神经元数量减少；3月龄时，黑质和纹状体已出现酪氨酸羟化酶（TH）阳性多巴胺能神经元及神经纤维减少，并呈现更符合PD特征的黑质致密部受累。至12月龄，Ifnar1^–/–小鼠累积α-syn、pα-syn、Tau和pTau，并在丘脑观察到同时含有pα-syn和pTau的类路易小体样包涵体；电镜还显示Aβ相关纤维结构，皮层中可见Aβ斑块。行为学上，这些小鼠表现出进行性PDD样缺陷：早期出现悬线测试运动能力下降、抑郁样行为、异常爬行、开放场和高架十字迷宫中的高焦虑/逃逸样行为，以及痛觉敏化；随后在Morris水迷宫和Barnes迷宫中出现空间学习与记忆受损。炎症方面，皮层IL-1β、IL-6升高，海马TNF-α阳性小胶质细胞增加，皮层Mac-3阳性吞噬性小胶质细胞增多，且星形胶质细胞与小胶质细胞围绕Aβ斑块聚集。由此可见，IFNAR1缺失最终诱发了从线粒体损伤、代谢异常到蛋白病理、神经炎症和行为障碍的完整PDD样病程。

Neuronal and astrocytic IFNAR1 loss recapitulate distinct aspects of PDD-like neuropathology and behavior
为划分细胞来源贡献，研究人员建立神经元和星形胶质细胞特异性Ifnar1敲除模型，并通过qPCR和ISG15表达验证敲除有效且具有细胞特异性。结果显示，神经元特异性缺失IFNAR1的小鼠在3月龄即出现黑质多巴胺能神经元丢失，并在12月龄明确表现出转棒运动障碍和Barnes迷宫认知受损；而星形胶质细胞特异性缺失模型虽也可在TH阳性神经元中见到pα-syn和pTau累积，但并未重现显著运动或认知缺陷。相反，GFAPCre;Ifnar1^fl/fl小鼠主要表现为高焦虑样行为及晚发痛觉敏化。该部分的核心结论是：神经元IFNAR1缺失足以再现PDD样核心神经退行与运动/认知障碍，而星形胶质细胞IFNAR1缺失则主要关联神经精神样表型；全身性Ifnar1缺失所呈现的更早、更全面表型，提示两类细胞功能障碍之间存在协同作用。

讨论部分总结
论文讨论强调，IFNAR1虽传统上多在免疫细胞和病毒感染背景下研究，但本研究证明其在神经元稳态、线粒体质量控制、脑能量代谢和神经胶质互作中同样具有关键作用。人类数据提示IFNAR1在神经元与星形胶质细胞中的基础表达不同，且在PD/LBD中发生差异性下调；小鼠体内多组学结果进一步表明，IFNAR1缺失可通过损害线粒体自噬、加重氧化应激和诱发葡萄糖高代谢，破坏兴奋性神经传递支持系统，并最终导致与PDD相似的神经病理和行为异常。讨论还指出，神经元与星形胶质细胞中的IFNAR1功能并不等同：前者更直接关联PD样神经退行、运动及认知障碍，后者则更偏向调控情绪、焦虑和痛觉等神经精神相关表型。整体而言，研究凸显了在细胞特异性层面理解神经退行性疾病机制的重要性，并提示恢复神经元和星形胶质细胞中的IFNβ-IFNAR1信号可能具有干预PDD进展的潜力。

研究结论部分翻译
综上，这些发现为IFNAR1在脑稳态中的细胞特异性作用提供了分子层面的见解。IFNAR1缺失可在PDD样神经退行、蛋白病理及行为异常发生之前，先行引发提示神经元免疫调节缺失、神经炎症、线粒体缺陷及线粒体自噬障碍，以及脑能量代谢失调的基因和蛋白改变。重要的是，仅神经元特异性IFNAR1缺失即足以诱导PDD样神经退行和行为异常的发生，凸显了功能完整的神经元IFNAR1对于维持脑稳态的重要性。这些结果还提示，星形胶质细胞IFNAR1在神经元支持以及神经精神样结局调节中具有重要作用。由于异常的IFNβ-IFNAR信号已被报道与人类散发性PD及其向PDD进展相关，本研究结果提示，对神经元和星形胶质细胞中功能失调的IFNAR1进行协同且靶向性的修复，可能成为减轻与痴呆发生相关疾病不同方面、尤其是PDD的重要治疗策略。