Nat Neurosci：神經(jīng)也能“充電”延緩僵硬？魯汶大學(xué)團(tuán)隊(duì)揭示亞精胺激活Eif5a調(diào)控軸突翻譯機(jī)制

ALS（俗稱“漸凍癥”）是一種會讓肌肉慢慢“凍住”、人逐漸不能動也不能說話的病。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種病和大腦里一種叫 FUS 的蛋白“出錯”有關(guān)。

基于此，2025年12月22日，魯汶大學(xué)腦與疾病研究中心Sandrine Da Cruz?研究團(tuán)隊(duì)在nature neuroscience雜志發(fā)表了“Axonal Eif5a hypusination controls local translation and mitigates defects in FUS-ALS”揭示了軸突中Eif5a的亞精胺化修飾調(diào)控局部翻譯，并緩解FUS-ALS中的缺陷。

研究人員利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，繪制了成年小鼠運(yùn)動神經(jīng)元軸突和胞體的RNA分布圖譜，發(fā)現(xiàn)成熟軸突中富集大量與蛋白質(zhì)翻譯相關(guān)的RNA，并通過多重單分子成像證實(shí)翻譯機(jī)器確實(shí)存在于軸突中。然而，在肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）相關(guān)的FUS突變情況下，這種局部翻譯被抑制，軸突特有的RNA特征（包括翻譯組件）遭到破壞。其中，關(guān)鍵翻譯因子Eif5a因缺乏“亞精胺化”激活修飾而功能受損。令人振奮的是，在軸突中補(bǔ)充多胺類物質(zhì)亞精胺可恢復(fù)Eif5a的活性，改善局部蛋白質(zhì)合成并緩解神經(jīng)元缺陷；在ALS果蠅模型中，口服亞精胺也能減輕由突變FUS或TDP-43引起的神經(jīng)毒性。這一發(fā)現(xiàn)為ALS治療提供了潛在的新策略。

圖一 成年小鼠運(yùn)動神經(jīng)元的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜繪制

為了在成年小鼠中精準(zhǔn)區(qū)分運(yùn)動神經(jīng)元胞體和它們的軸突并了解各自“說了哪些基因話”（即轉(zhuǎn)錄組），研究人員采用了一種能結(jié)合免疫染色的空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)。他們先用NanoString的GeoMx平臺，在12月齡小鼠脊髓切片中，把膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶陽性（運(yùn)動神經(jīng)元）和陰性（非運(yùn)動神經(jīng)元）的神經(jīng)元分別圈出來，單獨(dú)收集RNA進(jìn)行測序。

結(jié)果顯示，兩類神經(jīng)元的基因表達(dá)明顯不同：運(yùn)動神經(jīng)元富集了典型的膽堿能和運(yùn)動神經(jīng)元標(biāo)志基因，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。接著，他們用高分辨率的單分子熒光原位雜交（smFISH）在單細(xì)胞水平確認(rèn)了這些特異性轉(zhuǎn)錄本的存在。

為進(jìn)一步獲得空間位置信息，他們還用了10x Genomics的Visium空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動神經(jīng)元相關(guān)RNA確實(shí)集中在脊髓腹角，這正是運(yùn)動神經(jīng)元所在的位置，而非運(yùn)動神經(jīng)元的RNA則分布在背角和中間區(qū)域。

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最后，他們將自己獲得的數(shù)據(jù)與多個已發(fā)表的單細(xì)胞核RNA測序研究比對，找到了63個在所有數(shù)據(jù)集中都穩(wěn)定出現(xiàn)的運(yùn)動神經(jīng)元相關(guān)基因，并額外發(fā)現(xiàn)了201個新候選基因。其中兩個代表性基因通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確實(shí)在運(yùn)動神經(jīng)元中高表達(dá)。

總之，通過多種先進(jìn)技術(shù)整合，成功繪制出成年小鼠運(yùn)動神經(jīng)元高可信度的基因表達(dá)圖譜。

圖二 成年小鼠運(yùn)動與非運(yùn)動軸突的轉(zhuǎn)錄組圖譜

為了繪制12月齡成年小鼠運(yùn)動神經(jīng)元的無偏倚轉(zhuǎn)錄組圖譜，研究人員應(yīng)用了先進(jìn)的GeoMx數(shù)字空間分析技術(shù)。通過特定標(biāo)志物（膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶和神經(jīng)絲蛋白H）的免疫熒光染色，他們成功區(qū)分了運(yùn)動軸突與非運(yùn)動軸突，并對這兩類進(jìn)行了全轉(zhuǎn)錄組測序。

研究發(fā)現(xiàn)，成熟運(yùn)動軸突中高表達(dá)的基因主要涉及翻譯、突觸功能以及核糖體相關(guān)成分。特別地，82%已知編碼核糖體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄本被檢測到。為驗(yàn)證這些轉(zhuǎn)錄本的軸突定位，使用了多重單分子熒光原位雜交結(jié)合免疫染色的方法，進(jìn)一步確認(rèn)了這些轉(zhuǎn)錄本在軸突內(nèi)的存在，包括Eef2、Rpl4等與翻譯相關(guān)的基因，Hnrnpa2b1屬于核糖核蛋白復(fù)合體，Sparc屬于突觸類別，以及其他已知定位于軸突的轉(zhuǎn)錄本如Cox4i1、Nefh和Nefl。

此外，研究還對比了運(yùn)動軸突和非運(yùn)動軸突之間的差異表達(dá)基因，找到了在兩類軸突中特異富集的基因。例如，Lao1和Sh2d2a在運(yùn)動軸突中高度表達(dá)，而Duxf3和Art3則在非運(yùn)動軸突中更為顯著。

總的來說，該研究揭示了成年小鼠坐骨神經(jīng)中運(yùn)動與非運(yùn)動軸突的轉(zhuǎn)錄組多樣性，也證實(shí)了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法在解析復(fù)雜組織中的細(xì)胞特異性表達(dá)模式方面的有效性。

圖三 FUS突變特異性擾亂運(yùn)動軸突局部翻譯

研究人員在攜帶ALS相關(guān)FUS突變（FUSR521H）的小鼠坐骨神經(jīng)中，利用GeoMx空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，分析了運(yùn)動軸突的RNA變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在疾病癥狀出現(xiàn)前，突變FUS就已導(dǎo)致軸突中特定基因表達(dá)異常：一些與蛋白質(zhì)翻譯相關(guān)的mRNA（如Eif5a、Eif4a1、多個核糖體蛋白基因）顯著上調(diào)，而這些變化在脊髓胞體中幾乎不存在。

進(jìn)一步檢測蛋白水平發(fā)現(xiàn)，盡管部分翻譯相關(guān)mRNA增多，但關(guān)鍵因子如Eif4g3蛋白反而減少，而Rpl24蛋白異常堆積，Rps3a和Rps4x則減少，說明突變FUS破壞了軸突中“造蛋白”系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。

這些改變僅出現(xiàn)在軸突，而非胞體，表明FUS突變會特異性擾亂軸突局部的翻譯調(diào)控，這可能是ALS早期神經(jīng)功能障礙的重要機(jī)制。

圖四 軸突靶向亞精胺增強(qiáng)Eif5a修飾緩解FUS-ALS病理

為驗(yàn)證亞精胺在軸突局部的作用，研究人員利用微流控裝置培養(yǎng)原代運(yùn)動神經(jīng)元，將胞體與軸突分隔開并僅對軸突區(qū)室施加亞精胺。

結(jié)果顯示，突變型FUS導(dǎo)致軸突中Eif5a的亞精胺化水平下降41%，而局部給予100或200 μM亞精胺48小時后，該修飾分別提升29%和57%，同時恢復(fù)了受抑制的局部蛋白質(zhì)合成，并幾乎完全逆轉(zhuǎn)了軸突變短的結(jié)構(gòu)缺陷（長度恢復(fù)至接近正常的三倍），而胞體中的相關(guān)指標(biāo)則無變化，表明作用具有軸突特異性。

為進(jìn)一步探索其治療潛力，研究團(tuán)隊(duì)在果蠅ALS模型中測試亞精胺：表達(dá)突變FUS或TDP-43的果蠅羽化率極低（分別僅8%和不足1%），而補(bǔ)充亞精胺后，羽化能力顯著改善且呈劑量依賴性。

值得注意的是，該效果在FUS和TDP-43兩種不同致病蛋白模型中均成立，提示亞精胺可能是一種廣譜、有前景的ALS干預(yù)策略。

總結(jié)

該研究發(fā)現(xiàn)，軸突特異性亞精胺處理可增強(qiáng)運(yùn)動神經(jīng)元中Eif5a的亞精胺化修飾，有效緩解突變FUS引起的ALS相關(guān)病理表型。研究不僅揭示了Eif5a-hypusine通路在FUS-ALS中的關(guān)鍵保護(hù)作用，深化了對軸突局部翻譯調(diào)控與神經(jīng)退行機(jī)制的理解，還提出了一種精準(zhǔn)靶向軸突的干預(yù)策略，在體外和體內(nèi)模型中均顯著改善軸突運(yùn)輸障礙和應(yīng)激顆粒異常等核心病理特征。該工作驗(yàn)證了Eif5a亞精胺化作為潛在治療靶點(diǎn)的可行性，將天然多胺代謝與神經(jīng)保護(hù)聯(lián)系起來，為ALS及其他RNA結(jié)合蛋白相關(guān)疾病提供了新的治療思路。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02101-2

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