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Science子刊 | 南京医科大学揭示β-arrestin通过Samd4/mTOR/OXPHOS轴影响帕金森病进程
Highlights
1. IL-4能够减轻帕金森病模型小鼠的运动障碍和神经炎症
2. β-arrestin 1和β-arrestin 2在调节IL-4的神经保护效果中发挥相反作用
3. Samd4/mTOR/OXPHOS信号轴在小胶质细胞抗炎反应中的关键作用
近日，“Science Advances”（IF=11.7）上发表了一篇题为“Antagonism of β-arrestins in IL-4 driven microglia reactivity via the Samd4/mTOR/OXPHOS axis in Parkinson’s disease”的文章。这篇文章研究了在帕金森病中，β-arrestin蛋白如何通过Samd4/mTOR/OXPHOS信号轴影响IL-4诱导的小胶质细胞活性。
研究背景介绍
β-arrestins是一类细胞内蛋白，有两种亚型，ARRB1和ARRB2，最初被认为是G蛋白偶联受体内化和转运的关键介质。它们也是多种信号通路的信号转导因子，并可能调节不同的细胞过程。
小胶质细胞是中枢神经系统的主要免疫细胞，对维持CNS稳态起着重要作用。它们在神经退行性疾病如PD中的作用是双刃剑，既可以促进神经毒性，也可以发挥神经保护作用。
研究思路分析
研究技术路线图
01IL-4的神经保护作用
①在MPTP诱导的帕金森病（PD）小鼠模型中，通过腺相关病毒（AAVs）特异性增加中脑IL-4表达，能有效减轻PD样运动障碍，提高多巴胺神经元存活率。
②此外，IL-4过表达还能恢复正常情况下MPTP处理后中脑中多巴胺（DA）神经元数量减少和酪氨酸羟化酶（TH）蛋白水平降低。IL-4过表达还能显著提高抗炎标志物水平，降低促炎标志物水平，并增加抗炎小胶质细胞的活性，从而减轻PD样运动障碍和DA神经元丢失。
③研究发现，MPTP刺激的小鼠中脑中ARRB1表达增加，而ARRB2表达减少，IL-4过表达逆转了这一变化。而IL-4过表达和MPTP刺激并未改变星形胶质细胞中ARRB1的表达。
④相关性分析显示，中脑中ARRB1与IL-4表达水平呈负相关，而ARRB2与IL-4蛋白水平呈正相关。类似地，中脑和小胶质细胞中ARRB1和ARRB2与TH表达、DA神经元数量和Arg1+小胶质细胞数量之间也观察到相反的相关性。
02IL-4的神经保护作用
①使用携带小胶质细胞特异性启动子F4/80的AAVs，通过质粒或siRNA干预ARRBs的表达，发现ARRB1的过表达或ARRB2的敲减均阻断了IL-4对MPTP诱导的PD小鼠模型运动行为的改善效果。此外，ARRB1或ARRB2的干预也消除了IL-4对多巴胺神经元损失的保护作用，并抑制了IL-4诱导的抗炎反应及对促炎反应的抑制。
②体外实验中，IL-4处理的小胶质细胞培养液显著提高了MPP+刺激的原代中脑神经元的存活率，并减少了神经元的凋亡特征，这些保护效果在ARRB1敲除时增强，在ARRB2敲除时减弱，表明ARRB1和ARRB2在IL-4介导的微胶质细胞神经保护作用中发挥相反作用。
③通过敲除和过表达功能实验，研究发现ARRB1缺失增强了IL-4处理后小胶质细胞抗炎标记物的表达，而ARRB2缺失则抑制了这些标记物。在骨髓来源的巨噬细胞(BMDMs)中，ARRB1缺失增强了IL-4诱导的抗炎标记物表达和抗炎细胞因子释放，而ARRB2缺失则减少了。
03信号传导机制的探索
①研究发现，IL-4处理轻微增强了小胶质细胞的基础和最大呼吸作用，而ARRB1基因敲除进一步增强了这一效果，ARRB2基因敲除则抑制了。通过siRNA介导的ARRB1敲减和ARRB2的瞬时表达，发现在IL-4刺激后，小胶质细胞中抗炎标志物在mRNA和蛋白水平上的表达增加，而这些效果可被线粒体电子链抑制剂所阻断。
②通过RNA测序鉴定IL-4刺激下野生型（WT）和ARRB2基因敲除（Arrb2−/−）小胶质细胞中差异表达的基因，发现15个与炎症相关的基因在Arrb2−/−小胶质细胞中表达明显变化，其中Samd4基因在ARRB2基因敲除后表达降低，而在ARRB1基因敲除后表达升高。
③进一步的实验表明，Samd4是ARRBs下游的效应分子，通过siRNA敲低或过表达Samd4可以分别抑制或增强ARRB1和ARRB2基因敲除小胶质细胞中IL-4诱导的抗炎标记基因表达，以及影响氧耗率（OCR）。
④在基础水平上，ARRB1和ARRB2基因敲除（KO）小胶质细胞中mTOR和p70S6k的活化与野生型（WT）相比没有变化。然而，IL-4处理后，ARRB1 KO增强了而ARRB2 KO减弱了mTOR和p70S6k的活化。
⑤Samd4的敲减或过表达在ARRB1和ARRB2 KO小胶质细胞中分别抑制或促进了这些蛋白的活化。mTORC1抑制剂雷帕霉素预处理减少了ARRB1基因敲除的小胶质细胞在IL-4刺激后抗炎标志物的mRNA水平和OCR的基础及最大呼吸。而mTOR激活剂MHY1485预处理则逆转了IL-4在ARRB2基因敲除的小胶质细胞中的效果。
图1. 中脑IL-4过表达减轻PD模型的运动障碍、多巴胺神经元丢失和神经炎症
图2.IL-4在PD小鼠模型中不同调节ARRB1和ARRB2的表达
图3. 小胶质细胞ARRBs对IL-4在PD小鼠模型中的神经保护功能有相反的调节作用
图4. 小胶质细胞ARRB1和ARRB2在IL-4的神经保护功能中的对立角色
图5. 两种ARRBs在原代培养细胞中产生相反的抗炎状态作用
图6. 线粒体OXPHOS介导ARRBs在抗炎小胶质细胞反应性中的不同角色
图7.Samd4是IL-4驱动的小胶质细胞中ARRBs的未知效应分子
图8. mTOR通路在Samd4下游作用于ARRBs在小胶质细胞抗炎状态中的相反效应
图9. 示意图
结论与讨论
本文研究发现，IL-4通过其在小胶质细胞中的抗炎作用减轻了PD的症状。特别是，IL-4能够调节β-arrestin 1和β-arrestin 2的表达，这两种蛋白通过Samd4/mTOR/OXPHOS信号轴对小胶质细胞的抗炎反应性有相反的调节作用。
尽管已经揭示了IL-4和β-arrestins在PD中的作用机制，但仍需进一步研究来阐明这些蛋白表达变化的详细调控机制。此外，未来的工作应探索如何有效地调节这些分子以促进PD治疗，包括药物设计和临床前研究，以验证这些分子靶点在治疗PD中的潜力和安全性。