Nat Neurosci：神經也能“充電”延緩僵硬？魯汶大學團隊揭示亞精胺激活Eif5a調控軸突翻譯機制

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。科學家發現，這種病和大腦里一種叫 FUS 的蛋白“出錯”有關。

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

研究人員利用空間轉錄組學技術，繪制了成年小鼠運動神經元軸突和胞體的RNA分布圖譜，發現成熟軸突中富集大量與蛋白質翻譯相關的RNA，并通過多重單分子成像證實翻譯機器確實存在于軸突中。然而，在肌萎縮側索硬化癥（ALS）相關的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，在軸突中補充多胺類物質亞精胺可恢復Eif5a的活性，改善局部蛋白質合成并緩解神經元缺陷；在ALS果蠅模型中，口服亞精胺也能減輕由突變FUS或TDP-43引起的神經毒性。這一發現為ALS治療提供了潛在的新策略。

圖一 成年小鼠運動神經元的空間轉錄組圖譜繪制

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

結果顯示，兩類神經元的基因表達明顯不同：運動神經元富集了典型的膽堿能和運動神經元標志基因，驗證了方法的準確性。接著，他們用高分辨率的單分子熒光原位雜交（smFISH）在單細胞水平確認了這些特異性轉錄本的存在。

為進一步獲得空間位置信息，他們還用了10x Genomics的Visium空間轉錄組技術，發現運動神經元相關RNA確實集中在脊髓腹角，這正是運動神經元所在的位置，而非運動神經元的RNA則分布在背角和中間區域。

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最后，他們將自己獲得的數據與多個已發表的單細胞核RNA測序研究比對，找到了63個在所有數據集中都穩定出現的運動神經元相關基因，并額外發現了201個新候選基因。其中兩個代表性基因通過實驗驗證，確實在運動神經元中高表達。

總之，通過多種先進技術整合，成功繪制出成年小鼠運動神經元高可信度的基因表達圖譜。

圖二 成年小鼠運動與非運動軸突的轉錄組圖譜

為了繪制12月齡成年小鼠運動神經元的無偏倚轉錄組圖譜，研究人員應用了先進的GeoMx數字空間分析技術。通過特定標志物（膽堿乙酰轉移酶和神經絲蛋白H）的免疫熒光染色，他們成功區分了運動軸突與非運動軸突，并對這兩類進行了全轉錄組測序。

研究發現，成熟運動軸突中高表達的基因主要涉及翻譯、突觸功能以及核糖體相關成分。特別地，82%已知編碼核糖體蛋白質的轉錄本被檢測到。為驗證這些轉錄本的軸突定位，使用了多重單分子熒光原位雜交結合免疫染色的方法，進一步確認了這些轉錄本在軸突內的存在，包括Eef2、Rpl4等與翻譯相關的基因，Hnrnpa2b1屬于核糖核蛋白復合體，Sparc屬于突觸類別，以及其他已知定位于軸突的轉錄本如Cox4i1、Nefh和Nefl。

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

總的來說，該研究揭示了成年小鼠坐骨神經中運動與非運動軸突的轉錄組多樣性，也證實了空間轉錄組學方法在解析復雜組織中的細胞特異性表達模式方面的有效性。

圖三 FUS突變特異性擾亂運動軸突局部翻譯

研究人員在攜帶ALS相關FUS突變（FUSR521H）的小鼠坐骨神經中，利用GeoMx空間轉錄組技術，分析了運動軸突的RNA變化。結果發現，在疾病癥狀出現前，突變FUS就已導致軸突中特定基因表達異常：一些與蛋白質翻譯相關的mRNA（如Eif5a、Eif4a1、多個核糖體蛋白基因）顯著上調，而這些變化在脊髓胞體中幾乎不存在。

進一步檢測蛋白水平發現，盡管部分翻譯相關mRNA增多，但關鍵因子如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”系統的協調性。

這些改變僅出現在軸突，而非胞體，表明FUS突變會特異性擾亂軸突局部的翻譯調控，這可能是ALS早期神經功能障礙的重要機制。

圖四 軸突靶向亞精胺增強Eif5a修飾緩解FUS-ALS病理

為驗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原代運動神經元，將胞體與軸突分隔開并僅對軸突區室施加亞精胺。

結果顯示，突變型FUS導致軸突中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%，同時恢復了受抑制的局部蛋白質合成，并幾乎完全逆轉了軸突變短的結構缺陷（長度恢復至接近正常的三倍），而胞體中的相關指標則無變化，表明作用具有軸突特異性。

為進一步探索其治療潛力，研究團隊在果蠅ALS模型中測試亞精胺：表達突變FUS或TDP-43的果蠅羽化率極低（分別僅8%和不足1%），而補充亞精胺后，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干預策略。

總結

該研究發現，軸突特異性亞精胺處理可增強運動神經元中Eif5a的亞精胺化修飾，有效緩解突變FUS引起的ALS相關病理表型。研究不僅揭示了Eif5a-hypusine通路在FUS-ALS中的關鍵保護作用，深化了對軸突局部翻譯調控與神經退行機制的理解，還提出了一種精準靶向軸突的干預策略，在體外和體內模型中均顯著改善軸突運輸障礙和應激顆粒異常等核心病理特征。該工作驗證了Eif5a亞精胺化作為潛在治療靶點的可行性，將天然多胺代謝與神經保護聯系起來，為ALS及其他RNA結合蛋白相關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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