阿尔茨海默病中CRTC1的S-亚硝基化损害CREB依赖的基因表达

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阿尔茨海默病 CRTC1 S-亚硝基化 CREB 基因表达

阿尔茨海默病中CRTC1的S-亚硝基化对CREB依赖性基因表达的破坏

学术背景

阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）是一种常见的神经退行性疾病，其特征是记忆和认知功能的逐渐丧失。AD的病理机制复杂，涉及到多种分子和细胞过程，其中蛋白质的异常修饰被认为是疾病进展的关键因素之一。S-亚硝基化（S-nitrosylation）是一种由一氧化氮（NO）介导的蛋白质翻译后修饰，已被证明在多种神经退行性疾病中发挥重要作用。然而，S-亚硝基化在AD中的具体作用机制尚未完全阐明。

本研究聚焦于cAMP反应元件结合蛋白（CREB）的转录共激活因子CRTC1（CREB-regulated transcription coactivator 1）的S-亚硝基化在AD中的作用。在正常大脑中，CRTC1通过调节与神经元可塑性和记忆巩固相关的基因表达，发挥关键作用。然而，在AD大脑中，过量的NO相关物种通过S-亚硝基化修饰CRTC1，破坏了其与CREB的相互作用，导致与突触可塑性和记忆相关的基因表达模式紊乱。通过揭示这一机制，本研究为保护AD患者的突触功能和记忆提供了潜在的治疗靶点。

论文来源

该研究由Xu Zhang、Roman Vlkolinsky、Chongyang Wu等作者共同完成，作者分别来自The Scripps Research Institute的神经退行性疾病新药研究中心、分子与细胞生物学系、转化医学系以及加州大学圣地亚哥分校的神经科学系。论文于2025年2月27日发表在《PNAS》（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊上，文章标题为“S-nitrosylation of CRTC1 in Alzheimer’s disease impairs CREB-dependent gene expression induced by neuronal activity”。

研究流程

1. CRTC1的S-亚硝基化及其在AD模型中的表现

研究首先在细胞、动物和人类诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的AD模型中，验证了CRTC1的S-亚硝基化（形成SNO-CRTC1）水平增加。研究发现，SNO-CRTC1的形成破坏了CRTC1与CREB的结合，并抑制了CRTC1/CREB通路介导的活性依赖性基因表达。通过CRISPR/Cas9技术，研究人员在携带APPswe突变（AD相关突变）的hiPSC衍生的皮质神经元中，将CRTC1的Cys216突变为Ala，发现这种非亚硝基化的CRTC1突变体可以显著改善AD-hiPSC神经元的缺陷，包括减少的神经突长度和增加的神经元细胞死亡。

2. CRTC1 S-亚硝基化的分子机制

研究人员进一步确定了CRTC1的Cys216是NO相关物种S-亚硝基化的主要靶点。通过位点定向突变实验，证实了Cys216是CRTC1 S-亚硝基化的关键位点。此外，研究还发现，NO供体SNOC（S-nitrosocysteine）能够促进CRTC1从突触和树突向细胞核的转运，这一过程依赖于钙离子和钙调磷酸酶（calcineurin）的激活。

3. S-亚硝基化对CRTC1与CREB相互作用的影响

研究表明，SNO-CRTC1的形成破坏了CRTC1与CREB的相互作用，导致活性依赖性基因表达的下调。通过免疫共沉淀实验，研究人员发现，SNO-CRTC1在核内积累，但其与CREB的结合并未增加。相反，高钾诱导的神经元去极化则显著增加了CRTC1与CREB的结合。

4. 非亚硝基化CRTC1突变体在AD模型中的保护作用

在hiPSC衍生的AD神经元中，研究人员通过CRISPR/Cas9技术引入了非亚硝基化的CRTC1突变体（Cys216Ala），发现该突变体能够显著改善AD神经元的形态缺陷和细胞死亡。此外，研究还发现，非亚硝基化CRTC1的表达能够恢复AD神经元中CREB依赖性基因的表达，包括BDNF（脑源性神经营养因子）、Arc（活性调节细胞骨架相关蛋白）、Fos（即早基因）和Egr1（早期生长反应蛋白1）等基因。

5. 非亚硝基化CRTC1在AD小鼠模型中的治疗效果

研究还通过在5xFAD转基因AD小鼠的海马体中过表达非亚硝基化CRTC1，验证了其在体内的治疗效果。结果显示，非亚硝基化CRTC1的表达显著改善了5xFAD小鼠的突触可塑性和长时程增强（LTP），并增加了突触标志物突触素（synaptophysin）的表达。

主要结果

  1. CRTC1的S-亚硝基化在AD模型中显著增加：通过生物素转换法（biotin-switch assay），研究人员在AD小鼠模型和hiPSC衍生的AD神经元中检测到SNO-CRTC1的水平显著升高。
  2. Cys216是CRTC1 S-亚硝基化的主要位点：通过位点定向突变实验，证实了Cys216是CRTC1 S-亚硝基化的关键位点，突变后SNO-CRTC1的形成减少了约80%。
  3. SNO-CRTC1破坏了CRTC1与CREB的相互作用：免疫共沉淀实验表明，SNO-CRTC1在核内积累，但其与CREB的结合并未增加，导致CREB依赖性基因表达的下调。
  4. 非亚硝基化CRTC1突变体改善了AD神经元的形态和功能：在hiPSC衍生的AD神经元中，非亚硝基化CRTC1突变体显著改善了神经突长度和细胞存活率，并恢复了CREB依赖性基因的表达。
  5. 非亚硝基化CRTC1在AD小鼠模型中具有保护作用：在5xFAD小鼠中，非亚硝基化CRTC1的表达显著改善了突触可塑性和LTP，并增加了突触标志物的表达。

结论与意义

本研究发现，CRTC1的S-亚硝基化在AD的早期阶段发挥了重要作用，通过破坏CRTC1与CREB的相互作用，导致与神经元可塑性和记忆相关的基因表达紊乱。通过引入非亚硝基化的CRTC1突变体，研究人员成功逆转了AD模型中的神经元缺陷和突触功能损伤。这一发现为AD的早期干预提供了新的治疗靶点，表明抑制CRTC1的S-亚硝基化可能是一种有效的治疗策略。

研究亮点

  1. 揭示了CRTC1 S-亚硝基化在AD中的新机制：本研究首次阐明了CRTC1的S-亚硝基化如何通过破坏其与CREB的相互作用，导致AD相关基因表达紊乱。
  2. 非亚硝基化CRTC1突变体的治疗潜力：通过CRISPR/Cas9技术引入的非亚硝基化CRTC1突变体，在细胞和动物模型中均显示出显著的神经保护作用，为AD治疗提供了新的方向。
  3. 多模型验证：研究在细胞、hiPSC衍生的神经元和转基因小鼠模型中对CRTC1的S-亚硝基化进行了全面验证，增强了研究结论的可信度。

其他有价值的信息

研究还发现，CRTC1的S-亚硝基化可能通过下调BDNF的表达，导致突触丢失和认知功能下降。通过恢复BDNF的表达，非亚硝基化CRTC1突变体能够显著改善AD模型中的突触功能和认知表现。这一发现进一步支持了BDNF在AD治疗中的潜在应用价值。