Cell Rep︱SARM1激活剂的发现！有助于神经阻滞术的应用

撰文︱吴  桐

责编︱王思珍

沃勒变性（Wallerian degeneration）是神经纤维受到机械损伤后远端纤维开始降解的过程。SARM1（Sterile alpha and Toll/interleukin-1 receptor motif-containing 1）是这一神经降解过程的主要执行分子，其活性的调控对治疗相应的神经退行性疾病有重要作用[1]。据最近的研究发现，SARM1在细胞内的激活过程与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）和其合成前体β-烟酰胺单核苷酸（NMN）在胞体中的浓度比例有关[2]。由于NMN进入细胞的效率很低[3]，假如发现一种来自体外的SARM1激活剂，比如NMN的类似物，就有希望将SARM1激活导致的沃勒变性用于神经阻滞术的治疗过程。

2021年10月19日，在以“Neurotoxins subvert the allosteric activation mechanism of SARM1 to induce neuronal loss”为题发表在Cell Reports的论文中，圣路易斯华盛顿大学医学院遗传系的Tong Wu（第一作者）、Jeffrey Milbrandt教授（通讯作者）和发育生物学的Aaron DiAntonio教授（通讯作者）等人研究了激活SARM1导致神经降解的科学问题。3-乙酰吡啶（3-AP）在1940年代被发现，可作为一种导致中枢和外周神经降解的神经毒素[4-8]，但是该过程的神经降解机理始终不明确。在这项研究中，研究者发现3-AP导致的神经降解，与激活一种叫SARM1的酶有关，这种SARM1分子同时也是沃勒变性、脊髓损伤、中风等过程中远端神经纤维降解的执行分子。该研究发现，3-AP在神经中会被转化为NMN类似物3-APMN，而NMN则可以改变SARM1的自抑制结构从而激活SARM1酶导致神经降解[2]。因此，3-APMN将产生与NMN类似的变构作用激活SARM1分子、致使神经降解。这一研究具有神经阻滞术治疗的应用前景。

作者通过不同的角度观察到了3-AP的神经毒性需要通过SARM1分子的存在来体现。

首先通过神经培养实验，作者发现在体外培养的背根神经节（dorsal root ganglion）神经在3-AP的影响下神经纤维会逐渐降解，并且神经细胞也会逐渐死亡（图1B-D）。然而，通过SARM1基因敲除的神经细胞神经纤维既不会降解，神经胞体也不会死亡（图1B-D）。这就表明3-AP的神经毒性从形态学上来说是依赖于SARM1分子的表达的。除此之外，通过对细胞代谢物的测定，作者发现3-AP进入细胞后会引起环腺苷二磷酸核糖（cADPR）的生成，而cADPR的突然激增是SARM1激活的标志[9, 10]。不仅仅是cADPR，ATP、NAD⁺的降低也是细胞逐渐死亡的标志，并且这些代谢物变化只发生在野生型而不是SARM1敲除的神经细胞中（图1E）。这表明3-AP的神经细胞毒性依赖于SARM1分子，并且SARM1会在3-AP进入神经细胞后被激活。

图1 3-AP导致的神经死亡和神经纤维降解依赖于SARM1分子

（图源：Tong et al., Cell Rep. 2021）

其次，相对于体外神经培养实验， 3-AP在小鼠体内引发的神经毒性也是和SARM1的存在相关的。首先，作者发现腹腔注射高浓度的3-AP至5-6个星期大的小鼠会在48小时范围内引起小鼠死亡，然而相同剂量的3-AP注射对SARM1敲除的小鼠存活不会产生影响（图2A）。来自坐骨神经的代谢物分析发现SARM1在3-AP注射后也被激活（图2B）。此外，当用3-AP局部作用于小鼠坐骨神经纤维后，野生型小鼠的局部坐骨神经神经出现了降解和脱髓鞘的现象，然而对侧坐骨神经仍然保持完好，这一现象同样是SARM1依赖的局部神经纤维降解（图2 C, E）。研究者发现，这一局部给药刺激只会导致给药区域范围、距离胞体远端的神经纤维降解，而不会影响胞体近端的神经纤维，这一发现有助于将此应用到神经性疼痛缓解、神经末端阻滞治疗等领域。理论上，通过局部使用SARM1激活剂降解远端神经纤维可减缓痛感，却不影响近段神经纤维和胞体的健康。

图2 3-AP在小鼠体内导致的神经系统疾病也需要SARM1进行支持

（图源：Tong et al., Cell Rep. 2021）

为了更好探究3-AP引导SARM1激活的分子机制，作者采用了以吡啶共轭化合物PC6作为底物，荧光法测定SARM1活性的体外实验方法[11, 12]，SARM1酶活性的增加可用荧光强度的升高来反映。根据研究者的假设，3-AP在细胞中会被转化为3-APMN和3-APAD，其中3-APMN是SARM1酶的激活剂（图1A）。于是研究者在体外生成并纯化3-APMN，并与提纯的附着在磁珠上的SARM1酶进行反应，成功观察到了SARM1在体外的激活现象（图3A）。研究者同时证实该激活位点位于SARM1-NMN的结合位点。当对SARM1 N末端的W103A，W157A，K193R氨基酸分别进行突变后，SARM1将不再被NMN激活，从而在神经损伤后不能触发神经纤维降解[2]。作者将这几个突变引入本次研究中：在SARM1敲除的背根神经节神经中表达这几种SARM1突变蛋白，再加入3-AP观察神经纤维的降解情况。符合预期的是，这几个突变过表达无法导致3-AP诱导的神经纤维降解，而野生型的SARM1表达则可导致这一过程（图3B）。至此，作者证实了3-APMN是激活SARM1活性的重要中间产物，并且3-APMN与NMN同样通过作用于SARM1 N末端变构性的位点来导致神经纤维降解。

图3 3-APMN通过与SARM1变构位点结合激活SARM1

（图源：Tong et al., Cell Rep. 2021）

图4 文章模式图：神经毒素3-AP破坏SARM1变构激活机制，引发神经元丢失  

（图源：Tong et al., Cell Rep. 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

综上，这篇文章有以下一些意义。与另一篇关于Vacor的文章一同[13]，首次发现了介导机械损伤神经降解的执行分子SARM1，在自然界有天然的激活剂，这为研究自然界存在的神经毒素毒性机制打开了新的窗口（图4）。此外，3-AP自1940年代被发现作为一种抗代谢物以来[14]，至今一直被用于神经降解模型的构建，但是其毒性机理仍不清晰。这篇文章是近50年来首次揭示3-AP的毒性机理与激活SARM1分子有关（图4）。此后的研究当用到3-AP构建的神经降解模型，便可从毒性机制上与其他类的神经降解模型进行区分，比如Bax和caspase介导的发育过程中的神经降解[1]。这项研究对疾病的治疗和临床研究也有潜在应用意义（图4）。

目前，SARM1作为介导神经损伤、神经感染、神经代谢和线粒体功能紊乱致使神经降解的执行分子，其活性的调控关乎到多方面神经退行性疾病的治疗。去年10月份，礼来公司就以1.35亿美元收购了SARM1抑制剂研发公司Disarm Therapeutics，使得SARM1逐渐成为多种神经退行性疾病的研究和治疗靶点[15]。这项研究发现了SARM1分子的激活剂，可用于诱导神经纤维的局部降解并且保护神经元，有助于神经性疼痛和神经阻滞术的研究和治疗过程（图4）。

原文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)01339-5

第一作者吴桐

（照片由撰文作者本人提供）

往期文章精选

 优质科研培训课程推荐

参考文献（上下滑动查看）  

1. DiAntonio, A. Axon degeneration: mechanistic insights lead to therapeutic opportunities for the prevention and treatment of peripheral neuropathy. Pain (2019). doi:10.1097/j.pain.0000000000001528

2. Figley, M. D. et al. SARM1 is a metabolic sensor activated by an increased NMN/NAD+ ratio to trigger axon degeneration. Neuron (2021). doi:10.1016/j.neuron.2021.02.009

3. Grozio, A. et al. (2019) ‘Slc12a8 is a nicotinamide mononucleotide transporter’, Nature Metabolism. doi: 10.1038/s42255-018-0009-4.

4. BEHER, W. T., HOLLIDAY, W. M. & GAEBLER, O. H. Studies of antimetabolites. II. 3-Acetylpyridine. J. Biol. Chem. (1952). doi:10.1016/S0021-9258(18)55512-5

5. HICKS, S. P. Pathologic effects of antimetabolites. I. Acute lesions in the hypothalamus, peripheral ganglia, and adrenal medulla caused by 3-acetyl pyridine and prevented by nicotinamide. Am. J. Pathol. (1955).

6. Desclin, J. C. & Escubi, J. Effects of 3-acetylpyridine on the central nervous system of the rat, as demonstrated by silver methods. Brain Res. (1974). doi:10.1016/0006-8993(74)90627-1

7. Lopiano, L. & Savio, T. Inferior olive lesion induces long-term modifications of cerebellar inhibition on Deiters nuclei. Neurosci. Res. (1986). doi:10.1016/0168-0102(86)90016-7

8. Schulz, J. B. et al. 3-Acetylpyridine produces age-dependent excitotoxic lesions in rat striatum. J. Cereb. Blood Flow Metab. (1994). doi:10.1038/jcbfm.1994.134

9. Essuman, K. et al. The SARM1 Toll/Interleukin-1 Receptor Domain Possesses Intrinsic NAD+ Cleavage Activity that Promotes Pathological Axonal Degeneration. Neuron (2017). doi:10.1016/j.neuron.2017.02.022

10. Sasaki, Y. et al. cADPR is a gene dosage-sensitive biomarker of SARM1 activity in healthy, compromised, and degenerating axons. Exp. Neurol. (2020). doi:10.1016/j.expneurol.2020.113252

11. Li, W. H. et al. Permeant fluorescent probes visualize the activation of sarm1 and uncover an antineurodegenerative drug candidate. Elife (2021). doi:10.7554/eLife.67381

12. Zhao, Z. Y. et al. A Cell-Permeant Mimetic of NMN Activates SARM1 to Produce Cyclic ADP-Ribose and Induce Non-apoptotic Cell Death. iScience (2019). doi:10.1016/j.isci.2019.05.001

13. Loreto, A. et al. Potent activation of SARM1 by NMN analogue VMN underlies vacor neurotoxicity. bioRxiv (2020).

14. Woolley, D. W. & White, A. G. C. PRODUCTION OF THIAMINE DEFICIENCY DISEASE BY THE FEEDING OF A PYRIDINE ANALOGUE OF THIAMINE. J. Biol. Chem. (1943). doi:10.1016/s0021-9258(18)72240-0

15. Lilly announces agreement to acquire Disarm Therapeutics. Eli Lilly and Company. (2020, October 15). Retrieved November 5, 2021, from https://investor.lilly.com/news-releases/news-release-details/lilly-announces-agreement-acquire-disarm-therapeutics.

制版︱王思珍

本文完