中科院遗传发育所郭伟翔研究员专访丨CellPress对话科学家

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔课题组于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell与Cell Reports上各发表一篇论文。Cell Press细胞出版社微信公众号特别邀请郭伟翔研究员进行了专访，请他就这两篇文章以及其课题组目前的研究进展进行了深入探讨。

关于 郭伟翔 研究员

郭伟翔，博士，研究员，博士生导师

2008年获中国科学院动物研究所博士学位

2008-2011年在美国新墨西哥州大学从事博士后研究

2011-2014年在美国威斯康星大学麦迪逊分校从事博士后研究

2014年 任中国科学院遗传发育所研究员

2015年入选中组部“青年千人”

研究内容：衰老以及中枢神经系统疾病 (如神经退行性疾病和神经发育疾病) 都会引起神经发生的异常。我们实验室着重研究神经干细胞和神经发生的细胞分子机制，以及它们在神经退行性疾病和神经发育疾病的发生机制，从而为这些 疾病的预防和治疗提供理论依据。

郭伟翔课题组成员

研究介绍

乳酸长期以来被认为是有害的代谢终产物，但是近年来的研究显示乳酸可以作为重要能量底物和信号分子影响神经细胞功能，提示大脑乳酸稳态可能对于中枢神经系统稳定运行至关重要。哺乳动物大脑海马区可以通过成体神经发生不断产生新生神经元，参与学习记忆以及情绪调控等功能。乳酸对海马区成体神经发生具有怎样的影响，对此人们仍然知之甚少。脑血管作为神经干细胞重要的微环境分泌细胞因子影响神经干细胞自我更新和分化，但是脑血管内皮细胞是否参与乳酸稳态调控依然不清楚。

中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔课题组联合军事医学研究院生命组学研究所、蛋白质组学国家重点实验室杨晓团队的研究发现，哺乳动物脑中的乳酸水平影响成体神经发生，并揭示了脑血管通过维持乳酸稳态调节成体神经发生的新机制。

脑血管内皮细胞PTEN基因敲除导致海马区成体神经干细胞过度增殖和分化障碍，海马依赖性学习和记忆能力显著下降，并伴随脑中乳酸浓度显著增加，而海马区乳酸注射可以模拟PTEN基因敲除小鼠的表型。进一步通过对脑血管内皮细胞进行RNA测序，发现单羧酸转运蛋白MCT1在脑血管内皮细胞高表达并受PI3K/Akt信号通路负调控。MCT1从中枢神经系统转运乳酸进入外周血，以维持脑内乳酸稳态。进一步建立脑血管内皮细胞MCT1基因敲除小鼠，首次在体内证实了脑血管内皮细胞MCT1维持脑内乳酸稳态的重要生理功能。此外，脑血管内皮细胞过表达MCT1或者脑血管内皮细胞Akt1基因敲除，均可提升PTEN基因敲除小鼠的脑内乳酸水平，挽救其成体神经发生障碍，恢复其海马依赖性学习和记忆能力。本研究首次揭示了脑血管维持大脑乳酸稳态、调控成体神经发生和认知功能的重要生理功能和全新机制，提供了脑血管内皮细胞PTEN/Akt信号通路上调MCT1，调节脑中过量乳酸转运进入外周血的新模型。

该成果于2019年11月21日在线发表于Cell Press旗下期刊Cell Stem Cell上。文章标题为“Brain Endothelial Cells Maintain Lactate Homeostasis and Control Adult Hippocampal Neurogenesis”。杨晓研究员，郭伟翔研究员和杨焕明院士为本文通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委和中组部青年千人计划等的资助。

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神经发生是神经干细胞增殖分化产生新生神经元的过程，对哺乳动物大脑的正确发育及功能连接建成至关重要。尽管成体神经发生的增殖分化过程与胚胎期神经发生相类似，但其在增殖速率、分化速度及细胞微环境变化等方面仍然存在较大差异。然而，这两个阶段神经发生的差异调节的内在机制仍然不清楚。

中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔课题组的研究结果表明，在神经干细胞中特异性敲除RNA结合蛋白HuR，导致成年神经发生缺陷，对胚胎期神经发生没有影响。

HuR对胚胎神经发生与成体神经发生的差异性调节机制

在胚胎神经干细胞（eNSCs）中，HuR主要定位于细胞质中，随着发育的进行，成体神经干细胞（aNSCs）中HuR主要定位于细胞核中。进一步分子机制分析结果表明，HuR调控黏着斑激酶（FAK）的选择性剪切。在HuR敲除的aNSCs中short 5’-UTR FAK mRNA isoform表达升高，导致FAK mRNA翻译增加，FAK信号过度激活。在HuR条件性敲除小鼠中药物抑制FAK的活性能改善成年神经发生缺陷及海马依赖性的学习和记忆障碍。这一工作提出在发育过程中，HuR在eNSCs和aNSCs的细胞质和细胞核中易位表达，可能是胚胎神经发生和成年神经发生差异调节的分子机制之一。

该成果于2019年12月3日在线发表于Cell Press旗下期刊Cell Reports上。郭伟翔组博士研究生王玉晗，博士后郭野及已毕业博士生汤常永为该论文第一作者，郭伟翔研究员为通讯作者。该研究得到了中国科学院遗传发育所曹晓风研究员课题组在生物信息学分析上的帮助，以及东北师范大学朱筱娟教授课题组在实验上帮助。该研究得到了国家自然科学基金委和北京市科委的资助。

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作者专访

文章（1）：Brain Endothelial Cells Maintain Lactate Homeostasis and Control Adult Hippocampal Neurogenesis

文章（2）：Developmental Cytoplasmic-to-Nuclear Translocation of RNA-Binding Protein HuR Is Required for Adult Neurogenesis

Cell Press：您研究成体海马神经发生的契机是什么？海马神经发生缺陷会导致怎样的结果呢？

郭伟翔研究员：首先我要感谢我的博士生导师段恩奎研究员，他把我领入了干细胞研究的领域。毕业后，怀着对干细胞研究的热情，我加入了Xinyu Zhao博士的实验室做博士后，在她实验室主要研究脆性X综合征（fragile X syndrome）导致成体神经发生的异常细胞和分子机制。在Xinyu的悉心指导下，我逐渐对成体神经发生有了更深的了解。成体神经发生重演了胚胎神经发育的过程。与胚胎神经发生相比，成体神经发生较为缓慢，可以说是慢动作地重播这一过程。成体神经发生主要参与了学习记忆行为。成体神经发生的缺陷会导致学习记忆能力的下降。多数神经疾病都会伴随着成体神经发生的异常。因此，研究成体神经发生不但能够理解神经发育的过程，而且还有助于我们解析神经疾病的发病机理。然而，我们对成体神经发生的作用与分子调控机制仍知之甚少。

在回国组建实验室后，我们主要围绕“在生理和病理条件下，成体神经发生是如何受到调控的”这一科学问题开展研究，着重阐明神经干细胞和神经发生的细胞分子机制，以及它们在神经退行性疾病和神经发育疾病的发生机制，从而为这些疾病的预防和治疗提供理论依据。

Cell Press：根据文章（1），乳酸在脑内的积累会损害成体的海马神经发生，能否请您简要描述乳酸进入脑内皮细胞后产生的影响？

郭伟翔研究员：这一项研究主要是与军科院杨晓老师合作完成的。我们发现血管内皮细胞单羟酸转运蛋白，MCT1基因的缺失，会导致乳酸在脑内的积累，从而损害成体海马神经发生。这一研究揭示，在正常生理条件下，通过脑血管内皮细胞MCT1的介导，将大脑中多余的乳酸向血液中的转运，从而消除乳酸累积损害成体神经发生。

Cell Press：研究发现PTEN/Akt信号通路在乳酸转运或维持体内乳酸平衡中发挥了重要作用，请问您和您的团队为此运用了什么创新的方法？

郭伟翔研究员：为了研究内皮细胞PTEN/Akt信号通路在维持脑内乳酸平衡中的作用，我们首先利用RNA-seq发现PTEN/Akt信号通路能够调控负责乳酸转运的单羟酸转运蛋白，MTC1基因的表达。进一步，我们利用在体微透析以及同位素C14-标记乳酸来检测海马成体神经发生微环境中乳酸的含量及稳态。

Cell Press：研究指出，内皮细胞敲除MCT1基因后并没有改变乳酸大量进入脑的事实，这将如何为您下一步的研究工作提供思路？

郭伟翔研究员：我们在血管内皮细胞敲除MCT1基因后，然后静脉注射同位素C14-标记乳酸，发现与对照组相比较，大脑中C14-乳酸水平并没有显著增加。而当在大脑中注射C14-乳酸，则发现敲除MCT1基因后，血液中C14-乳酸的含量明显下降。这些结果表明血管内皮细胞的MCT1负责大脑中乳酸向血液中的转运。

近年来的研究表明，乳酸可以作为重要能量底物和信号分子影响神经细胞功能，提示大脑乳酸稳态可能对于中枢神经系统稳定运行至关重要。然而，在神经发生微环境中，乳酸在细胞间的转运是如何协同调控，从而到达一个稳态的水平？脑中乳酸水平升高常与一些伴随认知障碍的脑病，如脑白质病和阿兹海默症等密切相关。理解大脑乳酸稳态的调控，有助于我们解析相关疾病的病理过程，并为其发病机制提供了新的理论基础和潜在的治疗策略。

Cell Press：根据文章（2），细胞核中的HuR而非细胞质HuR对于神经发生是必不可少的，请问您的研究是如何证明这一点的？

郭伟翔研究员：我们研究发现：1）在胚胎神经干细胞中敲除HuR的表达，发现HuR的缺失并不影响其增殖分化。然而，在成体神经干细胞中，HuR的缺失则会导致其增殖上升，分化下降；2）在胚胎神经干细胞中，HuR主要定位在细胞质中，而在成体神经干细胞中，则主要定位在细胞核内。这一结果提示HuR调控神经干细胞增殖分化主要依赖其核定位来完成。为了证明HuR在细胞核中起了关键性作用，我们分别构建了核定位以及胞质定位的HuR表达质粒；3）在胚胎神经干细胞中，表达核定位HuR能够抑制其增殖，并促进其分化，而表达细胞质定位HuR则不影响其增殖分化；4）进一步，我们发现表达核定位HuR能够挽救HuR缺失的表型，而细胞质定位的HuR则不能。因此，以上的证据表明HuR在细胞核中的定位对于神经发生是必不可少的。

Cell Press： 除了解释胚胎和成体神经发生之间的差异，HuR在细胞质和细胞核之间的易位转移还有什么其他已知的或仍有待探索的生理功能？

郭伟翔研究员：在一些肿瘤细胞系的研究中，发现HuR在细胞质和细胞核之间的易位转移呈现出细胞周期依赖性。然而，在我们的研究，则发现HuR在细胞质和细胞核之间的易位转移呈现大脑胚胎到成年发育依赖性。此外，cd320基因突变会导致的钴胺 （vitamin B12）代谢 （cobalamin metabolism）遗传疾病，这些病人表现出严重的脑功能异常。最近Battaglia-Hsu等人发现，钴胺代谢遗传疾病会导致HuR在成年大脑神经元中核-质易位转移的异常。目前，我们对于HuR在细胞质和细胞核之间的易位转移的生理和病理功能仍知之甚少，有待进一步探索。

Cell Press：本研究通过评估小鼠海马依赖性学习的能力来判断海马神经发生的正常与否，您能简要描述这一过程吗？

郭伟翔研究员：目前的研究表明，海马新生神经元能够整合到海马神经环路中，主要参与海马的学习和记忆功能。在我们的实验中，我们利用海马依赖的行为学范式，如新鲜物体定位以及Y-迷宫来测试小鼠海马依赖性学习的能力。

Cell Press：维持FAK的适当活性对于脑的正常发育是必需的，为什么？

郭伟翔研究员：在研究过程中，我们发现抑制和过度激活FAK都会导致成体神经发生的异常。并且，前人的研究也同样发现，在胚胎大脑皮层锥体神经元迁移过程中，抑制和过度激活FAK都会导致神经元迁移的阻滞。因此，我们推测维持FAK的适当活性对于脑的正常发育是必需的。

Cell Press：研究中遇到了怎样的挑战？您和您的团队又是如何解决的？

郭伟翔研究员：在研究HuR调控神经干细胞增殖分化的分子机制时，我们需要从成百上千RNA可变性剪接事件中找到调控神经干细胞增殖分化的关键基因。有幸在曹晓风老师的研究团队帮助下，我们最终发现HuR主要通过介导FAK pre-mRNA的可变性剪接，从而调控成体神经发生。

Cell Press：能否请您简要描述您团队的下一步工作？

郭伟翔研究员：基于以上的研究工作，我们后续开展的工作包括1）成体神经干细胞与其微环境中的细胞是如何相互协调，从而维持成体神经干细胞及神经发生的稳态；2）胚胎与成体神经发生还存在着那些差异性调控机制，以及成体神经干细胞的异质性是如何形成等。这些问题的解答有利于我们理解成体神经发生的作用与功能。

相关论文信息

论文（1）原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Stem Cell上，扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Brain Endothelial Cells Maintain Lactate Homeostasis and Control Adult Hippocampal Neurogenesis

论文网址：

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30420-5

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.09.009

论文（2）原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports上，扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Developmental Cytoplasmic-to-Nuclear Translocation of RNA-Binding Protein HuR Is Required for Adult Neurogenesis

论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)31460-3

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.10.127

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