痴呆症中的细胞死亡长期以来一直是一个令人困惑的问题。在阿尔茨海默病和额颞叶痴呆中，有毒蛋白在神经元内堆积，但从这种堆积到脑细胞丢失的确切路径一直模糊不清。来自伦敦国王学院和英国痴呆症研究所的一项研究现在提出，缺失的一环可能是一个新鉴定的过程，称为核皱缩性细胞死亡（karyoptosis），即在细胞死亡之前，神经元的细胞核会萎缩并破裂。
该研究发表在《自然通讯》上，将这一过程与蛋白毒性应激联系起来——当受损或错误折叠的蛋白质积累且细胞的清理机制无法跟上时产生的负担。在死后脑组织中，研究团队在来自阿尔茨海默病和额颞叶变性患者的大量神经元中发现了核皱缩性细胞死亡的标志物，表明这并非实验室中的罕见异常，而是人类疾病的一个特征。
“这项研究是伦敦国王学院长达十年旅程的结晶，从我们首次在相对罕见的疾病中发现核皱缩性细胞死亡，到发现它是影响数百万人的痴呆症的常见特征。”
当细胞核开始失效
研究人员着手探究蛋白毒性应激如何杀死神经元，因为最著名的程序性细胞死亡形式——凋亡，并不能完全解释正在发生的事情。神经元是特殊的细胞。它们被设计用于长期存活，且对凋亡相对抵抗，这使得在神经退行性疾病中难以确定其损失的单一通路。
在使用神经母细胞瘤细胞、大鼠原代皮层神经元、果蝇和人干细胞衍生神经元的实验中，研究团队发现了一个一致的模式。当自噬-溶酶体系统（细胞的主要垃圾处理途径之一）长期受损时，神经元开始表现出LaminB1（一种帮助维持核纤层——细胞核周围的结构外壳的蛋白质）的变化。
LaminB1没有停留在原位，而是在细胞质中形成点状结构，细胞核轮廓失去规则形状，细胞萎缩。DNA损伤随后出现，而非首先发生。这一顺序很重要，因为它表明核破裂不仅仅是DNA损伤的副作用，而是一个独立死亡通路中更早期的事件。
研究团队还排除了其他几个更广为人知的机制。受应激的细胞没有表现出典型的凋亡标志物，包括caspase-3激活或caspase介导的PARP-1裂解。它们也缺乏坏死性死亡通路（如坏死性凋亡、铁死亡或parthanatos）中预期的特征。相反，证据指向一个以细胞核本身崩溃为中心的独特过程。
从有毒蛋白到神经元丢失的路径
该研究将核皱缩性细胞死亡定义为一种由蛋白毒性应激触发的非凋亡、非坏死形式的细胞死亡。在该通路中，核纤层不稳定，细胞核退化，核物质通过大的细胞外囊泡被推出细胞。最终结果是细胞萎缩、DNA损伤和死亡。
为了验证这一过程是否与人工应激细胞之外的情况相关，研究团队测试了与肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）相关的疾病蛋白，特别是C9ORF72相关疾病中产生的有毒二肽重复蛋白。在大鼠神经元中，脯氨酸-精氨酸重复蛋白强烈触发了核皱缩性细胞死亡的迹象，包括LaminB1点状结构、核形状扭曲和DNA损伤，同样没有凋亡性caspase激活的证据。果蝇模型中也出现了类似变化。
蛋白负担越靠近细胞核，损伤看起来越严重。在果蝇中，具有明显核内包涵体的细胞比相邻没有这些包涵体的细胞表现出更严重的核扭曲。这为研究人员提供了有毒蛋白聚集、核应激和这种细胞死亡形式之间更直接的联系。
研究结果还扩展到了由诱导多能干细胞衍生的人类神经元。当这些神经元被处理以损害自噬清除时，细胞数量下降，而TDP-43（一种与ALS和FTD密切相关的蛋白）从细胞核中移出。当研究人员阻断涉及p38 MAP激酶的应激反应通路时，这两种变化都得到了显著恢复。
一个可能成为药物靶点的分子开关
p38通路成为了该研究中最重要的线索之一。研究人员发现，p38 MAP激酶通过磷酸化LaminB1来帮助调节核皱缩性细胞死亡。他们确定了LaminB1上的Ser391是p38的靶标残基，并表明在核皱缩性细胞死亡过程中，一个50千道尔顿的LaminB1片段的磷酸化水平上升，而当p38被抑制时则下降。
这一点很重要，因为阻断p38信号通路减少了细胞和动物模型中核形状不规则性和核皱缩性细胞死亡的其他标志物，尽管它没有清除另一个受损蛋白清除标志物p62的基础积累。换句话说，有毒应激仍然存在，但其中一个破坏性的下游步骤可以被中断。
研究团队通过基因实验进一步推进。一种不可磷酸化的LaminB1突变体对人类成纤维细胞中与衰老相关的蛋白质损失更具抵抗力。在果蝇中，一个匹配的Lamin突变改善了LaminB随年龄的稳定性，并在自噬受损模型中部分挽救了存活率和神经元核形状缺陷。在表达有毒C9ORF72重复蛋白的果蝇中，抑制p38活性或阻止Lamin磷酸化延长了寿命并减少了核损伤。
“通过专门靶向p38 MAP激酶与LaminB1之间的相互作用，我们或许能够减缓细胞死亡过程，为针对特定神经退行性疾病的更精准疗法争取时间。”——伦敦国王学院精神病学、心理学和神经科学研究所功能基因组学高级讲师Manolis Fanto博士。
痴呆症大脑中核皱缩性细胞死亡的迹象
最具临床重要性的证据来自人类脑组织。研究人员使用来自额颞叶变性或终末期阿尔茨海默病患者额叶皮层的死后样本，以及年龄和性别匹配的对照组，利用单细胞成像和k-means聚类根据结构特征对神经元进行分类，而无需将算法告知每个细胞来自哪个疾病组。
该分析揭示了一组神经元，其形状和LaminB1模式与核皱缩性细胞死亡的早期和晚期阶段相匹配。在第二个数据集中（包含来自20个病例的763个细胞），额颞叶变性或阿尔茨海默病中早期和晚期核皱缩性细胞死亡的合并效应大小为35%至37%，而对照组为17%。与研究同时发布的早期摘要强调了阿尔茨海默病组织中的类似模式，报告称35%的额叶皮层细胞表现出核皱缩性细胞死亡的迹象，而健康老年对照组为15%。
对照组大脑中存在一些核皱缩性细胞死亡特征，表明这一过程也可能在正常衰老中发挥作用。但疾病中的额外负担非常突出。作者估计，在他们研究的痴呆组中，核皱缩性细胞死亡可能占额外18%至20%的神经元退化。
脑细胞的损失
“脑细胞的死亡和丢失导致了痴呆症患者经历的许多症状。我们的研究揭示了一系列新的化学事件，这些事件可以协调脑细胞中的细胞死亡。我们已经开始绘制核皱缩性细胞死亡的工作路线图，我很兴奋地看到这可能在痴呆症研究界及更广泛的领域带来未来的突破。”——伦敦国王学院英国痴呆症研究所高级研究员、论文第一作者Rebecca Casterton博士。
作者也指出了局限性。大部分机制是在细胞和动物模型中阐明的，分子事件的完整时间线仍需重建。细胞外囊泡的作用——它们是否是试图缓解压力的阀门还是死亡过程本身的一部分——仍未解决。
“几十年来，我们知道阿尔茨海默病和额颞叶痴呆中有毒蛋白会积累，但它们究竟如何导致脑细胞损失一直不清楚。”
“核皱缩性细胞死亡的鉴定是寻找能够阻止或减缓细胞损失的治疗靶点的关键一步。它可能有助于扩大针对疾病根本原因的治疗窗口，使我们更接近治愈痴呆症。这就是阿尔茨海默病研究英国基金会资助和支持研究的原因。”——阿尔茨海默病研究英国基金会高级研究经理Sara Rodrigues博士。
研究的实际意义
这些发现并不等同于一种治疗方法，但它们精确化了寻找治疗方法的搜索方向。通过识别从有毒蛋白应激到核破裂的路径，该研究提供了一个比单纯蛋白堆积这一宽泛问题更具体的靶点。
如果药物能够安全地干扰p38 MAP激酶与LaminB1之间的相互作用，它们可能能够减缓易感神经元的损失，并延长其他疾病特异性疗法可以起作用的窗口期。
该研究还表明，未来的痴呆症研究可能需要同时追踪多种细胞死亡途径，而不是假设单一机制解释所有神经元损失。
研究结果已在《自然通讯》期刊上在线发表。
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