γ-分泌酶是一种多蛋白复合物，可调节细胞增殖及分化。既往研究报道了γ-分泌酶上的早老蛋白（PSEN1）突变会导致阿尔茨海默病（AD）的发生，而AD的显著特征包括胆固醇累积及突触功能障碍。那么γ-分泌酶是否通过影响胆固醇代谢及突触功能参与AD的发生，目前尚不清楚。


(相关资料图)

Thomas Südhof教授

基于此，来自斯坦福大学Thomas Südhof教授（2013年诺贝尔生理学或医学奖）的研究团队，在Neuron上发表了题为“Neuronal γ-secretase regulates lipid metabolism, linking cholesterol to synaptic dysfunction in Alzheimer’s disease”的文章，报道了在人类神经元中，慢性γ-分泌酶抑制会显著降低神经元的胆固醇水平，进而刺激神经元特异性胆固醇合成基因的表达。此外，γ-分泌酶通过维持胆固醇水平来调节突触的传递，而γ-分泌酶的慢性抑制通过降低胆固醇水平来损害突触功能。

1.γ-分泌酶的抑制不会改变神经突起的延伸，而是增加突触的数量

γ-分泌酶具有多种功能及多种底物，这表明慢性γ-分泌酶抑制可能会阻碍神经元的发育。为了证实这种可能，研究人员对γ-分泌酶抑制（DAPT）后的人类早期神经元进行形态分析，结果显示：轴突或树突形态无明显变化。但在神经元转分化后10天进行抑制发现：神经元的突触密度显著增加，证实γ-分泌酶的慢性抑制增加了突触数量的生成。

图1：慢性γ-分泌酶抑制增加了人类神经元的突触数量，而不改变轴突或树突分枝形态

2.γ-分泌酶对正常的神经递质释放至关重要

为确定慢性γ-分泌酶抑制后突触数量的增加是否影响突触传递，研究人员分析了经DAPT处理后神经元的兴奋性突触后电流（mEPSCs），没有发现频率或振幅的差异。但DAPT处理或早老蛋白敲除后抑制了突触传递。因此，慢性γ-分泌酶抑制会导致突触数量的增加，但不会改变自发的mEPSC频率，并会减少突触的传递。此外，研究人员通过监测刺激诱导后的EPSCs，发现γ-分泌酶慢性抑制导致了神经递质释放概率的降低，表明突触功能的损害是由于神经递质释放概率的降低而损伤。

图2：γ-分泌酶的活性是正常神经递质释放所必需的

为明确急/慢性γ-分泌酶抑制对突触释放概率的不同影响，研究人员监测了不同时间点的EPSCs。发现γ-分泌酶急性抑制（第1天），没有观察到突触传递的变化。相反，γ-分泌酶慢性抑制（第10天到第21天）损害了突触传递。这些结果表明，慢性而非急性的γ-分泌酶抑制作用损害了突触传递，提示γ-分泌酶在神经递质释放中起间接作用。

图3.急性γ-分泌酶抑制并不损害突触传递

3. 慢性γ-分泌酶抑制选择性地刺激胆固醇合成基因的转录

为探究慢性γ-分泌酶抑制作用于突触的具体机制，研究人员进行了转录组分析，发现在人类神经元中，慢性γ-分泌酶抑制诱导的上调基因，都参与胆固醇的合成或运输，且慢性γ-分泌酶抑制刺激了胆固醇代谢的表达。定量RT-PCR分析的结果进一步证实在慢性γ-分泌酶抑制后，几乎所有胆固醇合成途径中的关键基因都在神经元中特异性上调。

图4：慢性抑制γ-分泌酶活性可上调人类神经元中胆固醇合成基因的表达，
但在小鼠胶质细胞中没有

4. γ-分泌酶抑制可降低细胞胆固醇水平

为验证慢性γ-分泌酶抑制是否可以降低神经元细胞胆固醇的水平，研究人员检测了在不同抑制条件下神经元和神经胶质细胞中未酯化和酯化胆固醇的细胞含量。结果显示：神经元中的总胆固醇下降了大约20%，而胶质细胞中的胆固醇没有明显变化。

图5：慢性抑制γ-分泌酶活性可降低人类神经元的质膜胆固醇

5.直接抑制胆固醇合成会损害神经递质的释放

为探究γ-分泌酶是直接调节突触前释放还是通过控制神经元胆固醇含量间接发挥作用，研究人员使用他汀类药物（可慢性抑制神经元的胆固醇合成）作为γ-分泌酶抑制剂。结果显示：他汀类药物通过降低细胞内胆固醇水平，导致胆固醇合成基因的转录增加，而对突触密度没有影响。这些结果表明：慢性γ-分泌酶抑制通过与胆固醇无关的机制改变突触数量。此外，他汀类药物的慢性胆固醇合成抑制，降低了突触强度，表明慢性γ-分泌酶抑制通过减少神经元胆固醇合成和降低神经元胆固醇含量来抑制人类神经元的突触强度。

图6：他汀类药物上调胆固醇合成基因，但不增加突触数量

总结

这项研究报道了γ-分泌酶调节突触传递的新机制，即通过控制神经元胆固醇水平，进而控制突触前释放的概率，揭示了γ-分泌酶在维持神经元胆固醇水平方面的主要功能，同时将γ-分泌酶功能障碍与AD患者的胆固醇变化和突触功能障碍联系起来，为AD药物靶点的潜在开发开辟了新的途径。

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参考文献
Sofia Essayan-Perez1, Thomas C. Südhof. Neuronal γ-secretase regulates lipid metabolism,linking cholesterol to synaptic dysfunction in Alzheimer’s , 1–19, October 18, 2023.
编译作者：悟空（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）

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