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Sep 16, 2023

Il PLD3 colpisce gli sferoidi assonali e i difetti di rete nella malattia di Alzheimer

Nature volume 612, pages

Natura volume 612, pagine 328–337 (2022)Citare questo articolo

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I meccanismi precisi che portano al declino cognitivo nella malattia di Alzheimer sono sconosciuti. Qui identifichiamo gli sferoidi assonali associati alla placca amiloide come importanti contributori alla disfunzione della rete neurale. Utilizzando l'imaging intravitale del calcio e del voltaggio, mostriamo che un modello murino di malattia di Alzheimer mostra una grave interruzione della connettività assonale a lungo raggio. Questa interruzione è causata da blocchi di conduzione del potenziale d'azione dovuti all'ingrandimento degli sferoidi che agiscono come assorbitori di corrente elettrica in modo dipendente dalle dimensioni. La crescita degli sferoidi era associata a un accumulo età-dipendente di grandi vescicole endolisosomiali ed era meccanicamente collegata a Pld3, un potenziale gene di rischio associato alla malattia di Alzheimer1 che codifica per una proteina lisosomiale2,3 altamente arricchita negli sferoidi assonali. La sovraespressione neuronale di Pld3 ha portato all'accumulo di vescicole endolisosomiali e all'allargamento degli sferoidi, che hanno peggiorato i blocchi di conduzione assonale. Al contrario, la delezione di Pld3 ha ridotto la dimensione della vescicola endolisosomiale e dello sferoide, portando a un miglioramento della conduzione elettrica e della funzione della rete neurale. Pertanto, la modulazione mirata della biogenesi endolisosomiale nei neuroni potrebbe potenzialmente invertire le anomalie del circuito neurale indotte dagli sferoidi assonali nella malattia di Alzheimer, indipendentemente dalla rimozione dell'amiloide.

La malattia di Alzheimer (AD) è una condizione neurodegenerativa caratterizzata da un'interruzione diffusa dei circuiti neurali e della connettività di rete4. Si ritiene che la deposizione extracellulare del peptide β-amiloide (Aβ) inneschi una cascata di eventi, che alla fine portano al declino cognitivo5. Tuttavia, le basi cellulari che collegano la deposizione di Aβ e l’interruzione della rete neurale non sono ben comprese6, il che limita la progettazione razionale di nuove terapie. Un'ampia ricerca precedente si è concentrata su meccanismi quali la perdita di sinapsi e la morte cellulare come potenziali cause di disfunzione neurale7,8, e gli sforzi terapeutici si sono concentrati principalmente su strategie per la rimozione extracellulare dell'amiloide9. Tuttavia, un segno patologico importante e poco studiato dell'AD sono i processi neuronali marcatamente ingranditi, tradizionalmente chiamati neuriti distrofici, che si trovano intorno ai depositi di Aβ10,11,12. In precedenza è stato dimostrato che questi processi sono tutti di origine assonale piuttosto che dendritica13,14 (Fig. 1a,b), quindi li chiamiamo sferoidi assonali associati alla placca (PAAS). Sebbene nel corso degli anni siano state proposte varie ipotesi riguardanti il ​​loro sviluppo15,16,17,18,19, queste strutture non sono state al centro dell'indagine meccanicistica e la loro importanza fisiopatologica rimane incerta.

a, Immagini confocali di un cervello di topo dopo iniezione unilaterale di AAV2-GFP. b, Immagini dalla regione in a indicata da una casella tratteggiata che mostra sferoidi assonali che possono provenire solo da assoni sporgenti transcallosali (verde) che non sono associati al marcatore dendritico MAP2 (rosso). Barra della scala, 5 μm. c, Time lapse in vivo di due fotoni di sferoidi assonali vicino a una placca amiloide (linee tratteggiate ciano), che mostrano strutture dinamiche (frecce) e stabili (asterisco). Barra della scala, 5 μm. d, Schemi dell'imaging del calcio assonale su due lati di uno sferoide assonale (verde) vicino a una placca (rossa) dopo stimolazione elettrica dell'emisfero controlaterale. e, Esempio di assoni marcati con GCaMP6f con sferoidi (a sinistra) e senza (a destra) e tracce di dinamica del calcio assonale nelle ROI su entrambi i lati della placca (arancione e blu). L'asse y indica il ΔF/F dei transitori del calcio. Le barre arancioni mostrano il treno di impulsi di stimolo a 50 Hz. Gli inserti mostrano grafici ingranditi (rettangoli grigi). Le linee tratteggiate nere indicano regressioni esponenziali della fase ascendente. Le linee tratteggiate arancione e blu mostrano i tempi stimati di aumento del calcio. Barre di scala, 10 μm (immagini in alto) e 200 ms (riquadri). f, Tracce che mostrano il blocco della conduzione (asterischi) dopo la stimolazione (icone lampeggianti gialle). g, Differenze nei tempi stimati di aumento del calcio nei segmenti assonali su entrambi i lati di un singolo sferoide. n = 10, n = 21 e n = 8 assoni rispettivamente per i gruppi senza sferoide, piccolo sferoide e grande sferoide; ottenuto da n = 14 topi. h, Strategie di stimolazione e imaging del calcio per misurare la conduzione assonale interemisferica a lungo raggio. i, Tracce di dinamica del calcio negli assoni transcallosali ripresi nell'emisfero controlaterale. Barra della scala, 200 ms (riquadro). j, L'intervallo di tempo tra la stimolazione e il tempo di salita presentato dai singoli assoni (a sinistra) o dai topi (a destra). n = 51 assoni in n = 3 topi WT; n = 58 assoni in n = 8 topi 5xFAD. k, La strategia per la stimolazione assonale e l'imaging della tensione a due fotoni dei corpi cellulari per misurare la conduzione assonale antidromica. l, Esempio di un corpo cellulare marcato con sensore di tensione (ASAP3) e della regione di scansione della linea (linea blu) (a sinistra). A destra, chimografo a scansione lineare da 1 kHz dopo stimolazioni elettriche (barre arancioni). Le frecce nere indicano gli AP. Barre della scala, 10 μm (verticali sinistra e destra) e 100 ms (orizzontale destra). m, tracce di fluorescenza ASAP3. Le barre arancioni indicano la stimolazione elettrica. Sotto ogni traccia sono indicate la corrente elettrica applicata e la potenza della trasformata veloce di Fourier (FFT) di 10 Hz. n, La probabilità di generazione di AP (potenza FFT) per ciascuna cella a una corrente definita. L'inserto mostra esempi di due singole cellule a varie stimolazioni attuali. o, Le correnti necessarie per una conduzione AP riuscita del 50% per ciascuna cella (punti individuali). n = 25 cellule da n = 2 topi WT; n = 27 cellule da n = 3 topi AD. p, L'intervallo di tempo tra la stimolazione e il tempo di picco AP. n = 59 cellule da n = 4 topi WT; n = 62 cellule da n = 4 topi AD. q, I tempi di salita (tonalità rossa) misurati nel soma dopo la stimolazione degli assoni controlaterali mostrano somiglianze tra GCaMP6f (verde) o ASAP3 (grigio). Barre di scala, 10 ms (orizzontale) e 1 unità arbitraria (AU) (verticale). L'analisi statistica è stata eseguita utilizzando i test U di Mann-Whitney a due code (g, j (a sinistra), o e p) e un test t accoppiato a due code (j (a destra)). I dati sono media ± sem