Neuron丨郑斯卡/陈亮合作组揭示神经元轴突生长机制，为相关疾病治疗提供新思路

责编丨迦溆

神经元(neuron)是一类高度分化的特殊的极性细胞，与其它类型的细胞不同、正常的神经元拥有一个细长的轴突（axon）和多个较短的树突(dendrite)，并且轴突和树突及神经元胞体在物理构造和分子水平都有着极大的不同，而这种极性构造正是生物体内神经回路形成和功能的基础【1-2】，轴突发育异常或损伤也会导致多种中枢神经系统疾病。神经元如何获得独一无二的轴突显然是神经生物学领域一个非常重要的研究方向，尽管已经有众多分子及信号通路被证明牵涉其中【3】，但它们如何协同使神经元产生轴突、神经元是否拥有一套特有的分子或调控机制使其获得独特的轴突结构还并不清楚。

近日，美国加州大学河滨分校医学院郑斯卡教授团队与美国南加州大学陈亮教授合作，于Neuron在线发表了题为Axonogenesis is coordinated by neuron-specific alternative splicing programming and splicing regulator PTBP2的研究结果。该研究通过对小鼠胚胎大脑皮质神经元基因进行转录组水平的深入分析、结合对基因敲除小鼠模型的研究发现, 在神经元轴突早期发育阶段存在广泛的pre-mRNA选择性剪接（pre-mRNA alternative splicing），神经特异性剪接调控蛋白PTBP2在此过程发挥重要作用、并调控众多已知的神经轴突发育相关基因的选择性剪接，从而揭示了神经轴突早期发育重要分子机制，为今后神经轴突生长机制的进一步研究及相关神经系统疾病机理探索和疾病治疗提供了重要实验依据。

在本研究中，郑斯卡教授团队首先与从事生物信息学研究的陈亮教授合作，通过对小鼠胚胎大脑皮质神经元进行原代培养、提取神经元轴突分化前（DIV1）和分化后（DIV3）RNA、进行深入细致的转录组水平分析，发现在神经元轴突特化生长这一早期发育过程中，已知的轴突生长相关基因的基因表达水平变化不大、但可变剪接发生显著改变，并且存在一系列神经元特有的可变剪接事件，这提示神经元轴突生长发育有其特有的基因表达调控程式、并且需要精确控制基因表达的不同剪接异构体的平衡。

图1. RNA-Seq分析显示，神经元轴突早期发育涉及广泛的基因选择性剪接水平的调控。

该团队接下来进行Motif Search找到了神经轴突选择性剪接调控关键蛋白PTBP2, 通过原代神经元培养、免疫荧光和激光共聚焦显微成像等技术，揭示在小鼠大脑皮质敲除Ptbp2基因之后，神经元轴突无法形成正常长度以及轴突数量发生改变，进一步证明了PTBP2在调控神经特异性mRNA选择性剪接中的重要性。

图2. Motif Search 揭示PTBP2是神经元轴突早期发育中基因选择性剪接的重要调控因子，Ptbp2 基因缺失小鼠存在明显神经元轴突发育缺陷。

SHTN1是众多神经元轴突生长调控基因之一【4】。通过生物化学及细胞生物学手段，该研究团队首次发现，PTBP2调控Shtn1选择性剪接，是SHTN1L剪接异构体的表达所不可或缺的调控因子。更重要的是，SHTN1L可以部分挽救Ptbp2基因敲除小鼠神经元轴突的长度，而这一作用是通过SHTN1L的RG结构域介导与细胞骨架蛋白F-Actin的相互作用并促进其聚合延伸实现的。

图3. PTBP2调控Shtn1选择性剪接，SHTN1L能够挽救Ptbp2基因缺失小鼠轴突长度。

据悉，美国加州大学河滨分校医学院博士后研究员张敏和Volkan Ergin为本研究的共同第一作者，郑斯卡教授和陈亮教授为共同通讯作者。

郑斯卡教授实验室隶属于美国加州大学河滨分校医学院，致力于哺乳动物神经系统发育机理及该过程中RNA水平的调控研究，尤其是神经元特异性基因表达调控及神经元生长发育机理的研究，希望揭示其中奥妙，为神经元及相关神经系统疾病治疗提供理论依据和可能。

郑斯卡教授毕业于清华大学、在约翰霍普金斯医学中心取得神经生物学博士学位，之后在霍华德·休斯医学研究所/加州大学进行博士后研究，并于2014年在加州大学河滨分校建独立实验室。郑斯卡教授现有多项NIH基金，曾在Nature Neuroscience，Nature Reviews Neuroscience，Neuron，Nucleic Acids Res.，Genome Research, Elife等学术期刊发表多篇具有高影响力的原创性研究成果。据悉，其课题组正在招募感兴趣并致力于神经细胞发育生物学，或者分子生化学研究的博士后参与研究。有意者可浏览实验室网页https://zhenglab.ucr.edu/ （点击文末“阅读原文”）。

原文链接：

https://www.cell.com/neuron/pdfExtended/S0896-6273(19)30049-2

制稿人：子阳

参考文献

1. Cheng P. L. and Poo M. M., (2012). Early Events in Axon/Dendrite Polarization. Annu. Rev. Neurosci. 35, 181-201.

2. Takano T. et. al., (2015). Neuronal polarization. 142, 2088-2093.

3. Barnes A. P. and Polleux F., (2009). Establishment of Axon-Dendrite Polarity in Developing Neurons. Annu. Rev. Neurosci. 32, 347-381.

4. Toriyama, M., et. al., (2006). Shootin1: A protein … J. Cell Biol. 175, 147-157.

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