Park7/DJ-1缺失在LPS诱导的炎症中损害小胶质细胞的激活

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Park7/DJ-1 脂多糖 小胶质细胞 神经炎症 帕金森病 小胶质细胞形态

《Journal of Neuroinflammation》2024年重要研究解读：Park7/DJ-1缺失对小胶质细胞激活的影响

学术背景

帕金森病 (Parkinson’s Disease, PD) 是第二常见的神经退行性疾病，其主要特征是α-突触核蛋白 (α-synuclein) 的积累和多巴胺能神经元的渐进性丧失。老龄化是PD的主要风险因素，但环境因素如农药暴露和感染也被认为促进了PD的发病和进展。最近的研究表明，小胶质细胞（microglia）在PD的早期阶段和病理解剖学（如黑质(SUBstantia Nigra)）中有激活的表现。然而，小胶质细胞在PD中的具体作用仍未完全阐明。

为了更好地理解小胶质细胞在PD中的作用，本研究使用了Park7/DJ-1基因缺失的模型。Park7基因编码多功能蛋白DJ-1，已知在转录调控、抗氧化应激中起作用。Park7基因突变导致的DJ-1缺失是造成早发性PD的一种遗传原因。本研究旨在调查Park7/DJ-1欠缺条件下，小胶质细胞在脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）诱导的炎症反应中的转录程序和形态适应，验证多重打击假说，该假说认为PD的病因由遗传和环境风险因素的组合所决定。

研究来源

本研究由 Frida Lind-Holm Mogensen、Carole Sousa 等人撰写，所属机构包括卢森堡健康研究院、卢森堡大学、多特蒙德大学等。该论文发表在2024年的《Journal of Neuroinflammation》期刊上。

研究流程与方法

实验设计

研究使用Park7/DJ-1敲除（knock-out, KO）与野生型小鼠，以及人类Park7/DJ-1突变诱导多能干细胞（iPSC）衍生的小胶质细胞和鼠骨髓衍生的巨噬细胞（BMDMs），在给予LPS诱导的炎症刺激后，使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）、大量RNA测序、流式细胞术和免疫荧光分析等方法，全面比较它们的表型特征。

实验步骤

  1. 动物模型与基因分型

    • 使用3-4个月龄的Park7/DJ-1 KO小鼠和野生型同窝小鼠。
    • 利用PCR检测小鼠基因型，以确认Park7/DJ-1的缺失。

  2. 细胞分离与流式细胞排序

    • 小鼠注射LPS或生理盐水（PBS）作为对照，通过流式细胞术染色分离CD11b+CD45int微胶质细胞。

  3. RNA测序与数据分析

    • 对分离的小胶质细胞进行单细胞RNA测序（Drop-seq）。
    • 进行主成分分析（PCA）和差异基因表达分析。

  4. 细胞形态分析

    • 采用免疫荧光染色及3D显微镜成像分析对小胶质细胞进行形态学特征提取。
    • 使用自研的微胶质及免疫细胞形态分析和聚类（MIC-MAC 2）工具分类微胶质细胞的形态。

  5. 骨髓衍生巨噬细胞分化与处理

    • 从Park7/DJ-1 KO小鼠和野生型小鼠骨髓中分离骨髓细胞，并诱导分化为巨噬细胞。
    • 用LPS处理骨髓衍生的巨噬细胞，分析基因表达和细胞形态变化。

  6. 诱导多能干细胞衍生的小胶质细胞分析

    • 使用携带Park7突变的iPSC诱导为小胶质细胞，进行基因表达和形态学分析。

主要研究结果

基因表达分析

  1. 差异基因表达

    • Park7/DJ-1 KO小鼠的小胶质细胞在LPS处理后显示与野生型不同的基因表达谱，尤其是与II型干扰素和DNA损伤应答相关的基因下调。
    • 在iPSC衍生的小胶质细胞中，Park7/DJ-1缺失也导致在LPS处理后相似的基因表达下调。

  2. 基因富集分析

    • GO（Gene Ontology）分析显示Park7/DJ-1 KO小鼠的小胶质细胞在LPS处理后，DNA损伤应答基因上调，反映了修复和耐受机制的参与。
    • 在人类iPSC衍生的小胶质细胞中，LPS处理后免疫响应和干扰素信号相关基因表达减少。

细胞形态学分析

  1. 基线形态

    • Park7/DJ-1 KO小鼠的小胶质细胞在基线状态下比野生型更为致密，显示较少的分枝和较少的突起，表现为更紧凑的形态结构。

  2. LPS处理后形态适应

    • LPS处理后，Park7/DJ-1 KO小鼠的小胶质细胞形态学适应性减弱，显示出较少的变为形的细胞形态，与野生型相比，更多保持致密形态。

ROS（Reactive Oxygen Species）水平分析

  • 通过活体成像评估Park7/DJ-1 KO小鼠的小胶质细胞和巨噬细胞的ROS水平。
    • 结果显示在基线和LPS处理后，Park7/DJ-1 KO细胞的胞质和线粒体中ROS含量升高，线粒体膜电位下降，反映出细胞应激反应和补偿机制的不足。

研究结论

本研究显示，Park7/DJ-1基因的缺失会显著影响小胶质细胞在炎症条件下的反应能力。具体表现为： - 基因表达下调：特别是II型干扰素信号路径相关的基因表达降低。 - 形态适应减弱：在LPS诱导的系统性炎症下，Park7/DJ-1 KO长期缺失的小胶质细胞表现出较少变为形态，仍然保持紧凑的结构。 - ROS水平升高：Park7/DJ-1缺失细胞在基线和LPS处理后ROS水平升高，反映出现氧化应激和修复机制受损。

研究的意义与价值

本研究的发现对理解PD病理学和发展潜在的治疗策略具有重要意义。通过揭示Park7/DJ-1缺陷对小胶质细胞应答和形态适应的影响，将有助于进一步理解PD的发病机制，特别是在神经炎症中的作用。这为开发针对性的治疗方法提供了新的思路，例如通过增强小胶质细胞的抗氧化防御或调控其炎症反应，以延缓或预防PD的进展。此外，研究成功应用了iPSC技术，这种方法将有助于未来研究在人类细胞模型中进一步探索PD的病理和治疗。

通过详细的多层次分析，本研究揭示了Park7/DJ-1在小胶质细胞功能和形态调节中的关键作用，同时为PD的早期诊断和干预提供了新的潜在方向。