Cell Stem Cell: 胆固醇合成：多发性硬化症神经毒性的隐藏 “开关”

2024年10月，剑桥大学、科罗拉多大学医学院等单位的相关研究人员在《Cell Stem Cell》（IF: 19.8）上发表了题为“Increased cholesterol synthesis drives neurotoxicity in patient stem cell-derived model of multiple sclerosis”的研究论文，揭示了胆固醇生物合成的高代谢状态如何在转录上控制进展型多发性硬化症（PMS）诱导神经干/祖细胞（iNSC）中的神经毒性衰老相关分泌表型（SASP）。

亮点概述：

PMS iNSC 具有衰老、炎症和高代谢特征。
葡萄糖促进 PMS iNSC 中的胆固醇合成。
羟甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGCR）通过SASP在PMS iNSC中触发脂肪生成和旁分泌神经毒性。
药理学抑制HMGCR可重塑SASP并降低神经毒性。

研究背景：

多发性硬化症（MS）作为一种最常见的中枢神经系统炎症性自身免疫脱髓鞘疾病，在全球范围内影响着约 280 万人的健康。PMS代表MS的晚期阶段，其特征是由于持续的神经元损失而导致慢性神经功能障碍的累积。由于PMS的复杂性，针对PMS患者的疾病修正疗法非常有限。这使得确定能够促进神经保护的靶点变得尤为具有挑战性。

衰老细胞可通过释放炎症介质加剧慢性炎症，从而导致神经元死亡，持续推动进行性神经退行性变。衰老的、功能失调的放射状胶质细胞（RG）样神经干细胞（NSC）及其对PMS中大脑衰老加速和神经元功能的影响尚未确定。细胞代谢是衰老和疾病相关机制的关键组成部分。脂质代谢参与控制NSC稳态，是细胞衰老和SASP的主要调节因子。PMS患者的衰老NSCs中是否存在代谢状态改变尚不清楚。

为了模拟 RG 样 NSCs，研究人员直接从患有PMS和对照者中生成iNSCs，旨在更准确地保留供体的衰老特征。与对照组相比，PMS iNSCs中衰老相关基因CDKN2A、CDKN1A和TP53 的表达水平显著升高。PMS iNSC系（与Ctrl iNSC 系相比）中上调和下调蛋白质的蛋白质组富集分析揭示了两类生物过程术语：(1) 炎症信号传导，(2) 与能量产生和合成/分解代谢平衡相关的代谢过程，强调了 PMS iNSC系中与细胞衰老相关的特定炎症和代谢生物过程。代谢组分析表明，这些衰老的iNSCs展现出独特的高代谢特性，其糖酵解和氧化磷酸化过程显著增强，细胞内能量代谢相关通路发生了深刻的重塑。PMS iNSC系与Ctrl iNSC系相比具有显著改变的生物能量谱，反映在PMS与Ctrl iNSC系中基础细胞外酸化率（ECAR）、基础线粒体呼吸、ATP连接线粒体呼吸和备用线粒体呼吸能力的增加上。

PMS iNSC系表现出与衰老相关的炎症信号和高代谢状态

接着，研究人员探究了PMS iNSC系中高代谢状态的潜在外在驱动因素，重点关注线粒体底物利用的差异。葡萄糖在PMS iNSC内不仅高效地通过糖酵解和三羧酸（TCA）循环产生能量，还积极参与脂质合成过程。稳定同位素示踪实验表明，PMS iNSC系的代谢重新连接与葡萄糖和谷氨酰胺代谢的改变有关，其葡萄糖衍生的碳更多地流向脂肪酸和胆固醇合成途径。这一过程导致细胞内脂质前体合成显著增加，尤其是不饱和脂肪酸的合成量急剧增多。

PMS iNSC利用葡萄糖来支持脂质前体的合成增加

为了探究PMS iNSC系中脂质前体生成增加的命运，研究人员对细胞沉淀及其条件培养基（CM）进行了脂质组学分析。发现PMS iNSC通过胆固醇酯（ChE）合成增加导致脂滴（LD）积累，细胞内脂质体的结构和组成发生改变，饱和度增加，酰基链部分缩短。通过药物辛伐他汀 (SV) 药理学抑制 HMGCR 活性，可以增加较长以及饱和度较低的酰基/烷基的比例来调整 PMS iNSC 系的脂质组成，减少LD的积累。

HMGCR药理学抑制重构PMS iNSC系的脂质组

据报道，富含脂质的衰老细胞表现出SASP。为了进一步研究PMS iNSC系“富含脂质”表型的功能影响，研究人员分析了CM中的分泌蛋白质组，发现多种 SASP 因子显著增加，如组织金属蛋白酶抑制剂 1（TIMP1）、纤连蛋白 1（FN1）和基质金属蛋白酶 2（MMP2）等。为了阐释PMS iNSC系的脂肪形成状态与其分泌表型之间的调节机制，研究人员对多组学数据集进行了综合分析，发现脂滴合成与分泌表型之间存在着高度复杂且紧密的功能调控联系。此外，PMS iNSC系的脂肪生成状态和分泌表型是转录共调节的，胆固醇调节的转录因子（TF）在这一过程中发挥着关键的调控作用，它们通过调节基因表达，影响细胞的分泌功能，从而塑造了神经毒性分泌表型。