关于转录因子PU.1调控小胶质细胞神经保护功能及其在阿尔茨海默病中作用的研究报告
一、 研究团队、发表期刊与时间 本研究由一支庞大的国际研究团队完成，主要作者包括Pinar Ayata、Jessica M. Crowley、Matthew F. Challman等，通讯作者为Pinar Ayata与Anne Schaefer。参与机构涵盖了美国西奈山伊坎医学院、华盛顿大学医学院、德国马克斯·普朗克衰老生物学研究所、科隆大学衰老与衰老相关疾病卓越集群等十余所顶尖研究机构。这项原创性研究成果以题为“Lymphoid gene expression supports neuroprotective microglia function”的Article形式，发表于2025年12月4日的《自然》期刊第648卷。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于神经科学与免疫学交叉领域，聚焦于阿尔茨海默病（Alzheimer‘s disease， AD）中大脑固有免疫细胞——小胶质细胞的功能调控。在AD进程中，小胶质细胞对淀粉样斑块的反应具有双重性，既可能发挥神经保护作用（如清除淀粉样蛋白、保护神经元），也可能转变为神经毒性状态（驱动神经炎症并导致毒性）。然而，决定小胶质细胞功能状态向保护性或毒性方向分化的核心转录调控机制尚不明确。
研究背景知识指出，转录因子PU.1是髓系和淋巴系细胞分化的关键主调控因子，其表达水平以剂量依赖方式调节谱系特异性基因表达。此前人类遗传学数据显示，位于PU.1编码基因SPI1 3‘非翻译区的一个常见变异，与髓系细胞中PU.1表达降低相关，并能延迟AD发病、减轻疾病严重程度。这提示PU.1的表达水平可能与AD中小胶质细胞的功能状态密切相关。
基于此，本研究旨在深入探究PU.1在小胶质细胞应对AD病理过程中的具体作用，解析PU.1表达变化如何影响小胶质细胞的基因表达谱和功能表型，并最终阐明其调控神经保护性小胶质细胞状态的分子机制，为AD治疗提供新的潜在靶点。
三、 详细研究流程与方法 本研究设计严谨，流程复杂，整合了体内外模型、遗传学操作、多组学分析和行为学评估等多个层面，具体流程如下：
1. 发现PU.1低表达小胶质细胞亚群及其特征： * 研究对象与样本量： 使用8月龄野生型和5xFAD（AD模型）小鼠（每组2只雄性），分离前脑小胶质细胞进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。在6月龄5xFAD小鼠（n=5）和AD患者死后脑组织（额叶皮层，n=3）中，通过免疫荧光进行验证。 * 实验与方法： 通过scRNA-seq数据分析，在疾病相关小胶质细胞（Disease-associated microglia， DAM）中发现了一个独特的PU.1低表达（PU.1low）亚群。利用免疫荧光共定位技术，证实PU.1low小胶质细胞优先定位于淀粉样斑块周围，这种现象在小鼠模型和人类AD脑中均存在。 * 关键方法： 使用谱系追踪技术（Translating Ribosome Affinity Purification， TRAP），结合小胶质细胞特异性Cre小鼠，证实斑块相关的PU.1low细胞是真正的小胶质细胞，而非其他来源细胞。通过给予集落刺激因子1受体（CSF1R）抑制剂PLX5622，发现PU.1low小胶质细胞的存活不依赖于CSF1R信号，提示其独特的生存机制。
2. 探究PU.1表达下调的调控机制： * 研究对象： 5xFAD小鼠及其与Syk或PLCγ2基因敲除小鼠的杂交模型。 * 实验与方法： 研究发现，小胶质细胞特异性敲除Syk或PLCγ2（二者是斑块相关信号传导的关键分子），会损害小胶质细胞与斑块的相互作用，并显著减少PU.1low小胶质细胞的数量。体外实验中，用TREM2配体（PS/PC脂质体）或Clec7a配体（pustulan）刺激原代小胶质细胞，可诱导PU.1下调，而药理抑制下游磷脂酶C（PLC）活性则可减弱这种效应。反之，激活PLC足以在无外源配体情况下下调PU.1。 * 结论： PU.1的下调是由斑块相关信号（通过TREM2、Clec7a等表面受体激活Syk-PLCγ2通路）驱动的，而非预先存在的亚群招募。
3. 解析PU.1low小胶质细胞的独特转录组与表观遗传特征： * 研究对象： 来自5xFAD小鼠的PU.1low与PU.1high DAM亚群、遗传修饰小鼠（PU.1-low， PU.1-high）的小胶质细胞、以及人AD脑单细胞数据集。 * 实验与方法： 通过scRNA-seq、空间转录组学（MERFISH）和TRAP-seq分析发现，PU.1low斑块相关小胶质细胞除了表达脂质代谢和溶酶体功能相关基因外，还显著上调了一系列免疫调节性淋巴系基因，如CD28、PD-1、PD-L1、CD5等。TRAP-seq证实这些转录本与核糖体结合，提示其可翻译成蛋白质。人类AD小胶质细胞单细胞数据也观察到了类似的淋巴系基因表达特征。 * 遗传学模型： 构建了小胶质细胞特异性PU.1表达降低（PU.1-low）或升高（PU.1-high）的小鼠模型，在无淀粉样病理背景下，降低PU.1足以重现淋巴系基因特征，而升高PU.1则与促炎表型相关。ATAC-seq分析显示，PU.1low小胶质细胞在整体维持小胶质细胞谱系染色质可及性的同时，在某些基因位点（如Cd28）表现出更类似于T细胞的染色质开放模式。 * 体外验证： 在BV2小胶质细胞系、原代小鼠小胶质细胞和人iPSC来源的小胶质样细胞中，通过RNA干扰急性敲低PU.1，可诱导CD28等淋巴系基因的表达，进一步证实了PU.1下调与淋巴系基因表达的因果关系。
4. 评估PU.1low小胶质细胞的神经保护功能： * 研究对象： 5xFAD小鼠与PU.1-low小鼠杂交得到的5xFAD；PU.1-low小鼠，以及对照组。 * 实验与方法与结果： * 病理与细胞表型： 在5xFAD；PU.1-low小鼠中，斑块相关小胶质细胞数量增加近一倍，表达CD28+的小胶质细胞数量增加四倍。这些细胞表现出神经毒性活性降低的特征：I型干扰素刺激基因（如Mx1）和补体（如C1q）表达下降，中性脂滴积累减少。 * 淀粉样蛋白病理： 与5xFAD对照相比，5xFAD；PU.1-low小鼠的淀粉样斑块负荷降低，斑块结构更加致密。 * Tau病理扩散： 向脑内注射人源tau蛋白聚集体后，5xFAD；PU.1-low小鼠脑中磷酸化tau的播种和积累显著减少，表明PU.1low小胶质细胞能更有效地限制tau病理的扩散。 * 突触与认知功能： 5xFAD；PU.1-low小鼠皮层V层的突触前末端（Bassoon+， VGLUT2+）丢失得到缓解，海马长时程增强（LTP）得以维持，在旷场和新物体识别测试中的行为缺陷得到改善，认知功能接近野生型水平。 * 生存期： 降低小胶质细胞PU.1表达显著延长了5xFAD小鼠的寿命，而升高PU.1则缩短其寿命。
5. 阐明关键淋巴系受体CD28的功能： * 研究对象： 构建了小胶质细胞特异性CD28敲除的5xFAD小鼠（5xFAD；CD28-KO）。 * 实验与方法： 尽管CD28仅由一小部分斑块相关PU.1low小胶质细胞表达，但其缺失导致了广泛的小胶质细胞炎症激活。5xFAD；CD28-KO小鼠表现出淀粉样斑块负荷增加，约30%的小胶质细胞呈现广泛的促炎性I型干扰素反应，其反应细胞数量远超CD28+细胞本身。 * 结论： CD28+的PU.1low小胶质细胞可能以“反式调节”的方式，发挥抑制性功能，限制整体的神经炎症和淀粉样斑块增殖。
6. 连接人类遗传学证据： * 数据来源： 大规模人脑小胶质细胞基因表达数据集。 * 分析结果： 分析显示，携带PU.1降低型保护性等位基因（与延迟AD发病相关）的个体，其脑中表达淋巴系基因的小胶质细胞亚群（Mic.13）比例更高。这提示PU.1low淋巴系基因表达小胶质细胞的神经保护作用在人类AD中可能同样存在。
四、 主要研究结果及其逻辑关联 本研究取得了一系列环环相扣的重要发现： 1. 发现与定位： 首先在AD模型小鼠和患者脑中鉴定出定位于淀粉样斑块周围的PU.1low小胶质细胞亚群，其存活不依赖于CSF1R。 2. 机制上游： 证明PU.1下调是由斑块通过激活小胶质细胞表面的TREM2、Clec7a等受体，进而触发Syk-PLCγ2信号通路所诱导。 3. 分子特征： 揭示PU.1low小胶质细胞的核心特征是表达一套免疫调节性淋巴系基因（如CD28），这种转录重编程与染色质可及性向T细胞样模式的转变有关，且PU.1表达水平与这一特征呈因果性负相关。 4. 功能表型： 在AD模型中，遗传性降低小胶质细胞PU.1表达（模拟病理下的PU.1low状态）能带来全面的神经保护效应：增强小胶质细胞-斑块相互作用、抑制神经炎症（I型干扰素和补体通路）、减少淀粉样斑块负荷和tau扩散、保护突触可塑性和认知功能、延长寿命。 5. 关键介质： 确定淋巴系共刺激受体CD28是PU.1low小胶质细胞功能的关键执行者之一。缺失CD28虽不影响其产生，但会解除其对广泛神经炎症的抑制，导致疾病恶化，表明CD28+ PU.1low小胶质细胞可能扮演了抑制性/调节性角色。 6. 临床相关性： 将小鼠研究发现与人类遗传数据对接，证实保护性PU.1基因变异与人类AD脑中类似的淋巴系基因表达小胶质细胞亚群增加相关，提升了研究发现的转化医学价值。
这些结果逻辑严密，从现象发现（PU.1low细胞），到调控机制（Syk-PLCγ2通路），再到分子特征（淋巴系基因）和功能输出（神经保护），最后定位关键效应分子（CD28）并验证人类相关性，构成了一个完整的证据链。
五、 研究结论与价值 本研究得出结论：在阿尔茨海默病中，淀粉样斑块通过激活小胶质细胞的Syk-PLCγ2信号通路，下调其关键转录因子PU.1的表达。PU.1表达降低驱动小胶质细胞向一种神经保护状态转化，其特征是表达包括CD28在内的免疫调节性淋巴系受体蛋白。这一特定的PU.1low CD28+小胶质细胞亚群，通过抑制广泛的神经炎症反应，在限制淀粉样蛋白病理、tau扩散以及保护突触和认知功能中发挥核心作用。
科学价值： 1. 提出了AD中小胶质细胞功能调控的新范式： 将经典免疫学中T细胞活化的共刺激/共抑制检查点概念（如CD28）引入中枢神经系统固有免疫研究，揭示了小胶质细胞也可能利用类似的受体网络来精细调节其炎症反应，实现从神经毒性向神经保护的状态转换。 2. 阐明了PU.1在AD中的双刃剑角色： 明确了PU.1表达水平是决定小胶质细胞功能表型的关键枢纽，其适度下调有利于保护，而过高或过低可能均有害，深化了对这个AD风险基因功能的理解。 3. 建立了从遗传变异（SPI1）、表观调控（PU.1表达）、转录重编程（淋巴系基因）到最终病理表型（神经保护）的完整机制通路。
应用价值： 1. 提供了新的治疗靶点： 研究指出，靶向PU.1调控通路或其下游的淋巴系受体（如CD28、PD-1等），以“促进保护性小胶质细胞功能”为目标的免疫治疗策略，可能是治疗AD的新方向。这不同于传统的单纯抗炎或清除Aβ的策略。 2. 揭示了生物标志物潜力： PU.1low或CD28+小胶质细胞亚群的比例，可能作为评估AD疾病状态或治疗反应的新型细胞生物标志物。
六、 研究亮点 1. 重要的发现： 首次系统揭示了PU.1表达下调是驱动小胶质细胞获得神经保护功能的核心转录事件，并发现了小胶质细胞表达淋巴系检查点分子这一全新现象。 2. 新颖的机制视角： 将外周淋巴细胞的免疫调节机制与大脑固有免疫细胞的神经保护功能联系起来，为理解神经退行性疾病中的免疫失调提供了创新性框架。 3. 研究方法的系统性与先进性： 研究整合了条件性基因敲除/过表达小鼠模型、细胞特异性谱系追踪（TRAP）、单细胞多组学（scRNA-seq， ATAC-seq）、高分辨率空间转录组（MERFISH）、行为学、电生理学等多种前沿技术，从分子、细胞、环路到整体行为水平进行了全面验证，证据力度强。 4. 转化衔接紧密： 工作不仅在小鼠模型中深入探索机制，还充分利用人类遗传学和单细胞数据验证了关键发现在人类AD中的相关性，显著提升了研究的临床意义。
七、 其他有价值的内容 本研究还通过与另一项近期研究（Kimura et al.， Nature 2023， 发现TIM-3缺失通过诱导保护性小胶质细胞状态改善AD）的对比指出，TIM-3缺失所扩增的保护性小胶质细胞群体同样高表达CD28、PD-1等分子且PU.1表达降低。这提示，不同免疫检查点分子（如TIM-3和CD28）可能通过汇聚于“PU.1low淋巴系基因表达”这一共同节点来调控小胶质细胞的神经保护功能，进一步强调了该通路的普遍性和重要性。这为开发联合靶向多个免疫检查点以增强神经保护效应的组合疗法提供了理论依据。