以及以严谨的学术逻辑思维探索神经科学之奥秘
撰文︱王思珍责编︱王思珍
在许多神经退行性疾病的发病机制中，神经炎症起着关键作用。阿尔兹海默症（简称AD），俗称老年痴呆。在AD中，星形胶质细胞和小胶质细胞的激活可以触发大脑的先天性免疫反应，进而可以发挥神经保护性作用，比如吞噬、降解及清除β-淀粉样蛋白（Aβ）等；然而，反过来，炎症反应的功能异常也可以加剧疾病病理过程。因此深入了解神经退行性疾病中影响神经胶质细胞功能和神经炎症的因素，是很有必要的。
YKL-40是一种由Chi3l1基因编码的分泌糖蛋白，是许多神经神经退行性疾病中神经炎症的标志物。在AD中，随着年龄增长，脑脊液中YKL-40水平也随之上升。Chi3l1/YKL-40主要表达于大脑星形胶质细胞和外围巨噬细胞。动物研究表明，Chi3l1/YKL-40可以减轻外周环境中的炎症、并保护细胞免受氧化应激。然而其在AD大脑和AD进展中的的功能却鲜为人知。
此外，许多神经退行性疾病患者，比如临床前AD患者，也会表现出包括睡眠、活动和内分泌功能等在内的昼夜节律功能障碍，这种功能障碍被认为是AD发病机制的一个潜在因素。昼夜节律调节外周环境的细胞免疫反应。星形胶质细胞和小胶质细胞会影响昼夜节律钟（亦称生物钟）的功能，而生物钟又可以影响神经胶质细胞的炎症反应。但是神经胶质细胞的生物钟与神经炎症之间的机制尚不清楚
美国华盛顿大学医学院ErikS.Musiek课题组长期专注于揭示哺乳动物大脑中神经退行性变的分子机制，也聚焦于昼夜节律及其如何调节神经胶质功能、神经炎症、蛋白质聚集和神经变性。年12月16日，该课题组在ScienceTranslationalMedicine上发表了题目为“Chi3l1/YKL-40iscontrolledbytheastrocytecircadianclockandregulatesneuroinflammationandAlzheimer’sdiseasepathogenesis”的最新研究文章。该研究揭示了Chi3l1/YKL-40是AD发病的一个调节因子，并阐明了神经胶质细胞生物钟和Chi3l1表达之间的联系。首先，作者通过分析了AD患者皮质脑组织的单核RNA测序数据，发现，CHI3L1基因高表达于星形胶质细胞，少量表达于小胶质细胞，极少量表达于神经元（图1A-B）。野生型CHI3L1与快速的AD进展呈正相关；有26%的AD患者携带有CHI3L1的一个遗传变异（rs），该变异可以明显延缓AD的进展（图1C）。这些表明CHI3L1/YKL-40可能是人类AD发病机制的重要调节因子。那么这一有趣现象背后的具体调控机制是什么呢？
图1人类CHI3L1基因多态性对AD进展的影响
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
图2Chi3l1基因的缺失会轻微改变神经胶质细胞的激活（GFAP标记星形胶质细胞，IBA1标记小胶质细胞）
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
于是，紧接着，作者发现，Chi3l1/YKL-40的敲除不会影响星形胶质细胞的激活，但是可以轻度增强小胶质细胞的激活的整体基线水平，也可以轻度增强星形胶质细胞和小胶质细胞两者中炎症因子的表达（图2A-H）。而且在APP/PS1转基因AD小鼠模型中，敲除Chi3l1不仅可以显著减少病理性Aβ斑块的数量和面积，也可以特异性地减少非纤维性Aβ斑块沉积（图3A-H）。另外，由于神经元中Chi3l1基因的水平极低，因此YKL-40可能不会改变Aβ的产生。图3Chi3l1基因的缺失缓解淀粉样蛋白病理（X34标记纤维性的淀粉样斑块，HJ3.4标记总的淀粉样斑块）
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
图4尽管Chi3l1缺失减缓星形胶质细胞的激活，但是可以促进对星形胶质细胞对Aβ斑块的吞噬作用
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
之前有研究表明，在清除Aβ及清除由Aβ诱导的神经炎症方面，星形胶质细胞和小胶质细胞起着不可或缺的作用。因此作者研究了Chi3l1缺失对神经胶质细胞清除Aβ的影响。结果表明，在AD小鼠海马和皮层中，Chi3l1基因缺失可以明显抑制星形胶质细胞的激活，但是可以潜在增强星形胶质细胞对Aβ斑块的吞噬作用（图4A-F）。同时作者也发现Chi3l1缺失会特异性地激活CD68阳性的小胶质细胞，进而增强对小胶质细胞对Aβ斑块的吞噬作用，CD68是一种特异性的小胶质细胞中溶酶体标记物（图5A-F）。图5Chi3l1缺失会特异性地激活CD68阳性的小胶质细胞，并增强对小胶质细胞对Aβ斑块的吞噬作用
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
那么，调控Chi3l1基因表达的具体分子机制是什么呢？该基因表达与神经胶质细胞激活之间的潜在联系是什么呢？之前，该课题组报道称，昼夜节律“黑夜”基因Bmal1的缺失会导致星形胶质细胞以一种细胞自主的方式而被激活。
在此，通过小鼠皮层组织转录组数据分析，作者发现，在昼夜节律“黑夜”基因Bmal1敲除小鼠中Chi3l1的下调最显著，而在“白天”基因Per1/2突变小鼠中Chi3l1的上调则最显著（图6A-B），这提示Chi3l1可以能一个由生物钟控制的正反馈基因（图6A-D）。而且在敲除Bmal1的小鼠原代星形胶质细胞和小胶质细胞中，CHI3L1/YKL-40的RNA水平和蛋白水平都有明显的下调（图6D-G）。BMAL1基因是否直接调控Chi3l1基因呢？作者分析了Chi3l1启动子区域、并结合染色体免疫共沉淀测序，确定了BMAL1直接调控Chi3l1的基因结合功能区，即确定了BMAL1直接调控Chi3l1，但Chi3l1的表达不具有节律性（图6H-I）。作者也发现，当星形胶质细胞处于由脂多糖诱导的炎症条件下时，Chi3l1的RNA表达量依赖于BMAL1转录活性的昼夜波动：高BMAL1转录活性时，Chi3l1的RNA表达量为高水平范围，而低转录活性时，Chi3l1的RNA表达量为较低水平范围（图7A-E）。而且Aβ42可导致Chi3l1表达量的显著增加（图7F）。图6Chi3l1可能是一个有昼夜节律所调控的基因
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
图7在炎症环境中，Chi3l1的表达量受BMAL1转录活性的昼夜变化的影响
（图片引自：Lanannaetal.,Sci.Transl.Med.;12:eaax）
结论与讨论、观点与展望在包括AD在内的许多神经退行性疾病中，神经胶质细胞的激活是一把双刃剑，即可以发挥神经保护作用，也可以执行神经退行性作用。在此，研究发现，Chi3l1/YKL-40是AD发病机制的一个重要调节因子：野生型Chi3l1与AD的快速病理进程呈正相关，而突变型Chi3l1则与缓慢病理进程呈正相关；同时Chi3l1可以激活星形胶质细胞和小胶质细胞，并吞噬淀粉样斑块，从而发挥对老年痴呆的神经保护作用。因此Chi3l1/YKL-40可能是一个潜在的老年痴呆治疗靶点，昼夜节律功能紊乱可能是AD等神经退行性疾病的发病机制的一个潜在因素。研究发现，Chi3l1可能是一个由昼夜节律所调控的基因，但Chi3l1的表达不具有节律性。Chi3l1受到BMAL1的直接调控，且其表达量依赖于炎症条件下BMAL1转录活性的昼夜振荡。研究也提示我们，阐明大脑生物钟基因如何调控细胞特异性通路，对于理解昼夜节律紊乱如何影响神经退行性变是至关重要的。
当然，本研究也存在一些不足之处。第一、体外研究表明，Chi3l1在星形胶质细胞和小胶质细胞中有着相同和不同的影响，那么在活体内，这一现象是否也会如此？第二、本研究中使用的AD小鼠模型仅仅再现了Chi3l1/YKL-40对病理性淀粉样斑块的影响，并没有重现人类AD的其他方面，比如tau蛋白聚集，因此在未来的研究中，需要在多个不同的AD转基因小鼠中，充分研究Chi3l1/YKL-40对各种AD标记物（Aβ、tau等）的清理或吞噬作用。第三、CHI3L1基因的多态性如何影响人类AD病理的进程或AD神经胶质细胞的激活？在此作者并没有深入研究，因此今后的工作中，需要将人类AD病理和生物标志物数据与CHI3L1基因分型相结合。
总之，这项研究表明，Chi3l1调控小鼠神经胶质细胞的激活、以及淀粉样斑块的吞噬，从而影响AD进展。这些发现确定了Chi3l1/YKL-40可能是一个减缓AD疾病进展的潜在治疗靶点，并为星形细胞昼夜节律钟如何调控神经炎症提供了思路。
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