DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44556-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38195627
تاريخ النشر: 2024-01-09
المؤلف: Rasmus Berglund وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات الالتهاب العصبي والتنكس العصبي
طرق
في هذه الدراسة، تم إنشاء فئران محذوفة الجين مع جين Ulk1 المربوط (Ulk1 fl/fl) عن طريق التزاوج مع فئران Cx3cr1 CreERT2، مما يسمح بالحذف المستهدف لجين Ulk1 في الخلايا الدبقية الصغيرة. تم الحصول على جميع الفئران من مختبر جاكسون وتم الحفاظ عليها في ظروف خالية من مسببات الأمراض المحددة في معهد كارولينسكا، مع الالتزام بإرشادات رعاية الحيوانات الوطنية. شمل التصميم التجريبي كل من الفئران البالغة (3-5 أشهر) والفئران المسنّة (20-25 شهرًا)، مع إعطاء التاموكسيفين تحت الجلد لتحفيز حذف الجين. تم التحكم بعناية في توقيت علاج التاموكسيفين، حيث بدأت التجارب على الخلايا الدبقية الصغيرة بعد أربعة أسابيع على الأقل من العلاج لضمان إعادة توطين الخلايا التي تعبر عن Cx3cr1 مع الحفاظ على تأثير حذف الجين.
للتجارب، تم استخدام كل من الفئران الذكور والإناث في مجموعات متطابقة، وتم استخدام العشوائية لتخصيص العلاج. تم إعطاء حقن داخل النخاع الشوكي من 50 نانوغرام من CSF-1 أو IL-34 لمدة ثلاثة أيام متتالية قبل التضحية أو تحصين EAE. ضمنت الدراسة عدم وجود اختلافات كبيرة في الوزن بين المجموعات عند بدء التجربة، وتم تنفيذ القتل الرحيم باستخدام CO₂. من المتوقع أن توضح النتائج دور Ulk1 في وظيفة الخلايا الدبقية الصغيرة وتأثيراتها في علم الأمراض العصبية المركزية.
نتائج
تستكشف الدراسة خصائص الخلايا الدبقية الصغيرة في الجهاز العصبي المركزي المسن (CNS)، كاشفة عن معدل دوران منخفض بشكل ملحوظ وإشارات متغيرة عبر محور CSF1R. في الفئران المسنّة (أكثر من 20 شهرًا)، تم تقليل تكاثر الخلايا الدبقية الصغيرة وموت الخلايا، كما يتضح من انخفاض امتصاص EdU وصبغة Annexin V، على الرغم من أن إجمالي عدد الخلايا الدبقية الصغيرة ظل مستقرًا. ومن الجدير بالذكر أن تعبير الليغاندات CSF1R، Csf1 و Il34، قد زاد في الشيخوخة، بينما تم تقليل تعبير CSF1R على سطح الخلايا الدبقية الصغيرة. يشير هذا إلى دوران أبطأ وتحول نحو نمط ظاهري أكثر تفاعلاً للخلايا الدبقية الصغيرة، كما يتضح من زيادة تعبير علامات مثل MHC class II و TREM2، إلى جانب زيادة في العلامة المنزلية P2RY12.
كشفت التحليلات الإضافية لمسارات الإشارة أن الخلايا الدبقية الصغيرة المسنّة أظهرت زيادة في فسفرة ERK1/2 و AMPK، بينما كانت فسفرة Akt منخفضة، مما يشير إلى استجابات متغيرة في الأسفل عند تفاعل CSF1R. أكدت مثبطات الأدوية لإشارة CSF1R اعتماد هذه المسارات في الخلايا الدبقية الصغيرة المسنّة، حيث أدى حجب فسفرة ERK1/2 إلى انخفاض في عدد الخلايا الدبقية الصغيرة بشكل خاص في الثقافات من CNS المسن. بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على التغيرات المرتبطة بالعمر في دوران الخلايا الدبقية الصغيرة وإشاراتها، مما يشير إلى تحول محتمل نحو تعزيز البلعمة الذاتية في الخلايا الدبقية الصغيرة المسنّة.
مناقشة
في هذه الدراسة، نحدد مجموعة فرعية متميزة من الخلايا الدبقية الصغيرة في الجهاز العصبي المركزي المسن (CNS)، تُسمى الخلايا الدبقية الصغيرة المعتمدة على البلعمة الذاتية (ADAM)، والتي تتميز بزيادة فسفرة ERK1/2 وزيادة النشاط البلعمي. من خلال تحليل تعبير RNA للجينات المتعلقة بالالتهاب العصبي، وجدنا أن الخلايا الدبقية الصغيرة المسنّة ذات فسفرة ERK1/2 العالية أظهرت ملفًا تعبيريًا فريدًا، بما في ذلك زيادة كبيرة في تنظيم الجينات المتعلقة بالبلعمة الذاتية مثل Rala و ULK1، وعلامات مرتبطة بالخلايا الدبقية الصغيرة التفاعلية. ومن الجدير بالذكر أن فقدان ULK1 أدى إلى انخفاض ملحوظ في عدد مجموعة ADAM، وزيادة في موت الخلايا، وزيادة في إجهاد ER، مما يشير إلى أن البلعمة الذاتية التقليدية ضرورية لبقاء هذه المجموعة الفرعية من الخلايا الدبقية الصغيرة.
علاوة على ذلك، أظهرنا أن IL-34، وهو ليغاند لـ CSF1R، قام بتوسيع مجموعة ADAM بشكل انتقائي ومنح تأثيرات وقائية عصبية خلال الالتهاب العصبي المناعي الذاتي، كما يتضح من تحسين بقاء الخلايا العصبية وانخفاض العلامات السريرية في نماذج EAE. على النقيض من ذلك، لم يُنتج علاج CSF-1 فوائد مماثلة، مما يبرز الدور المحدد لـ IL-34 في دعم مجموعة ADAM. تشير النتائج إلى أن الخلايا الدبقية الصغيرة ADAM تلعب دورًا وقائيًا في CNS المسن، وأن فقدانها يزيد من تفاقم حالات الالتهاب العصبي، مما يتحدى الرؤية التقليدية لتنشيط الخلايا الدبقية الصغيرة على أنه ضار فقط. تؤكد هذه الأبحاث على أهمية البلعمة الذاتية في الحفاظ على وظيفة الخلايا الدبقية الصغيرة وتبرز السبل العلاجية المحتملة التي تستهدف مجموعات الخلايا الدبقية الصغيرة في الأمراض التنكسية العصبية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-44556-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38195627
Publication Date: 2024-01-09
Author(s): Rasmus Berglund et al.
Primary Topic: Neuroinflammation and Neurodegeneration Mechanisms
Methods
In this study, gene-deleted mice with a floxed Ulk1 gene (Ulk1 fl/fl) were generated by breeding with Cx3cr1 CreERT2 mice, allowing for targeted deletion of Ulk1 in microglia. All mice were sourced from The Jackson Laboratory and maintained under specific-pathogen-free conditions at Karolinska Institutet, adhering to national animal-care guidelines. The experimental design included both adult (3-5 months) and aged (20-25 months) mice, with tamoxifen administered subcutaneously to induce gene deletion. The timing of tamoxifen treatment was carefully controlled, with experiments on microglia commencing at least four weeks post-treatment to ensure repopulation of Cx3cr1-expressing cells while preserving the gene deletion effect.
For the experiments, both male and female mice were utilized in matched groups, and randomization was employed for treatment allocation. Intrathecal injections of 50 ng CSF-1 or IL-34 were administered for three consecutive days prior to sacrifice or EAE immunization. The study ensured no significant weight disparities among groups at the experiment’s onset, and euthanasia was performed using CO₂. The findings are expected to elucidate the role of Ulk1 in microglial function and its implications in central nervous system pathology.
Results
The study investigates the characteristics of microglia in the aged central nervous system (CNS), revealing a significantly reduced turnover rate and altered signaling through the CSF1R axis. In aged mice (over 20 months), microglial proliferation and apoptosis were diminished, as evidenced by decreased EdU uptake and Annexin V staining, despite the total microglial population remaining stable. Notably, the expression of CSF1R ligands, Csf1 and Il34, was upregulated in aging, while microglial surface expression of CSF1R was reduced. This suggests a slower turnover and a shift towards a more reactive microglial phenotype, indicated by increased expression of markers such as MHC class II and TREM2, alongside a rise in the homeostatic marker P2RY12.
Further analysis of signaling pathways revealed that aged microglia exhibited increased phosphorylation of ERK1/2 and AMPK, while Akt phosphorylation was reduced, indicating altered downstream responses to CSF1R engagement. Pharmacological inhibition of CSF1R signaling confirmed the dependency of these pathways in aged microglia, as blocking ERK1/2 phosphorylation led to a decrease in microglial counts specifically in cultures from aged CNS. Overall, these findings highlight the age-related changes in microglial turnover and signaling, suggesting a potential shift towards enhanced autophagy in aging microglia.
Discussion
In this study, we identify a distinct subpopulation of microglia in the aging central nervous system (CNS), termed Autophagy Dependent Age-acquired Microglia (ADAM), characterized by elevated ERK1/2 phosphorylation and enhanced autophagic activity. Through RNA expression analysis of neuroinflammation-related genes, we found that aged microglia with high ERK1/2 phosphorylation exhibited a unique transcriptional profile, including significant upregulation of autophagy-related genes such as Rala and ULK1, and markers associated with reactive microglia. Notably, the loss of ULK1 led to a marked reduction in the ADAM population, increased apoptosis, and heightened ER stress, indicating that canonical autophagy is crucial for the survival of this microglial subset.
Furthermore, we demonstrated that IL-34, a ligand for CSF1R, selectively expanded the ADAM population and conferred neuroprotective effects during autoimmune neuroinflammation, as evidenced by improved neuronal survival and reduced clinical signs in EAE models. In contrast, CSF-1 treatment did not yield similar benefits, highlighting the specific role of IL-34 in sustaining the ADAM population. The findings suggest that the ADAM microglia play a protective role in the aging CNS, and their loss exacerbates neuroinflammatory conditions, challenging the traditional view of microglial activation as solely detrimental. This research underscores the importance of autophagy in maintaining microglial functionality and highlights potential therapeutic avenues targeting microglial populations in neurodegenerative diseases.