PNAS︱肖波课题组揭示调节中枢神经系统髓鞘发育的新机制
撰文︱于宗燕
责编︱王思珍
髓鞘（myelin）是神经系统中由胶质细胞包裹轴突形成的多层膜结构，其绝缘性使神经冲动在轴突上以“跳跃”的方式进行传导，同时髓鞘对轴突起着保护和提供代谢支持的作用[1]，因此，髓鞘发育（myelination）及其完整性对神经系统功能的执行必不可少。中枢神经系统中，髓鞘是由少突胶质细胞分化形成[2]，但少突胶质细胞产生和包裹轴突的调控过程还不完全清楚。因此该过程的发育调控仍然是神经科学领域的重要科学问题之一，对该过程的解析也对脱髓鞘疾病和神经退行性疾病，如多发性硬化症和阿尔兹海默症等的治疗也具有指导意义。
细胞的生长、增殖和分化依赖于细胞内信号通路调节和营养物质的支持[3]，其中，细胞内生长因子信号协同营养物质氨基酸等调节细胞的代谢发育，并维持稳态[4]。肖波研究团队曾鉴定髓鞘发育的重要调节蛋白RHEB，揭示其参与的生长因子活化mTORC1信号通路在中枢神经系统髓鞘发育中的关键作用[5,6]。另一方面，营养物质氨基酸感受器在过去20年间被不断鉴定出来[7]，但氨基酸感知/信号通路在哺乳动物组织发育过程中的生理学功能尚未见报道，特别是其与神经系统少突胶质细胞发育髓鞘形成之间是否存在调控关联并不明确。
近日，南方科技大学生命科学学院的肖波教授课题组与约翰霍普金斯大学医学院的Paul F. Worley教授课题组合作在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）杂志上以“GATOR2 Complex Mediated Amino Acid Signaling Regulates Brain Myelination”为题发表文章，首次揭示细胞内GATOR2介导的氨基酸感知/信号通路调控中枢神经系统髓鞘发育。博士研究生于宗燕为第一作者。（拓展阅读：肖波课题组最新研究进展，详见“逻辑神经科学”报道：Dev Cell︱乳酸促进外周神经损伤修复的B面：轴突长时期乳酸代谢增加会导致氧化应激以及轴突退变）
为了探究氨基酸感知/信号通路在中枢神经系统发育中的作用，研究人员利用Cre-loxp技术敲除了小鼠大脑神经干细胞中的MIOS蛋白（氨基酸感知/信号通路中关键复合物GATOR2成分之一），基于体外细胞实验[8]和果蝇卵母细胞中的研究[9]，研究人员推测：MIOS敲除会导致氨基酸感知/信号通路阻断，mTORC1无法被激活。研究发现MIOS敲除导致了少突胶质细胞中mTORC1活性降低（图1 A-D），并且氨基酸饥饿后激活mTORC1过程受损（图1 E, F）。但在神经元中并没有出现相似的现象，说明MIOS敲除造成少突胶质细胞中氨基酸感知/信号通路阻断，并且该过程具有细胞特异性。
图1 MIOS敲除导致少突胶质细胞中氨基酸-mTORC1通路受损
（图源：Z. Yu, et al., PNAS, 2022）
与氨基酸信号通路调控mTORC1活性的特异性相似，其对细胞发育的调控也具有细胞特异性。研究人员发现，在神经干细胞中敲除MIOS后，导致少突胶质细胞数量显著减少，包括少突胶质细胞前体细胞和成熟少突胶质细胞（图2 A-D），但神经元和星形胶质细胞发育并没有明显改变（图2 E-H）。同时，研究中还发现氨基酸感知/信号通路可能通过细胞周期调控少突胶质细胞发育。
图2 MIOS敲除造成少突胶质细胞特异性发育障碍
（图源：Z. Yu, et al., PNAS, 2022）
通过Western Blotting检测髓鞘蛋白表达、免疫荧光染色（图3 A, B）、髓鞘特异性染色、以及电镜（图3 C-E）等实验，研究人员发现，MIOS缺失小鼠脑中存在广泛的髓鞘发育缺陷，包括大脑各区域、小脑、视神经等。并通过对大龄小鼠（出生后六个月）髓鞘发育的检测，发现MIOS缺失后造成的髓鞘缺陷是持续性的，说明MIOS缺失造成的氨基酸感知/信号通路阻断小鼠的髓鞘缺陷是持久性的发育缺陷，而不是发育的延迟。
图3 MIOS敲除小鼠广泛持续的髓鞘缺陷
（图源：Z. Yu, et al., PNAS, 2022）
该研究小组早期的研究表明少突胶质细胞中的生长因子通路调控mTORC1，并对中枢神经系统髓鞘发育起必要的正向调控，过表达RHEB（Ras homolog enriched in brain）能上调mTORC1活性，恢复RHEB缺失引起的髓鞘缺陷[5]。但是研究人员发现，在MIOS敲除小鼠中，过表达RHEB虽然也能恢复mTORC1活性降低（图4 A, B），但却不能修复少突胶质细胞（图4 C, D）和髓鞘发育障碍（图4 E-I）。说明MIOS参与的氨基酸感知/信号通路对于髓鞘发育必不可少，它和RHEB参与的生长因子信号通路协同调控髓鞘发育。
图4 mTORC1活性升高不能挽救MIOS敲除髓鞘缺陷
（图源：Z. Yu, et al., PNAS, 2022）
图5 氨基酸感知与生长因子信号通路协同调控髓鞘发育
（图源：肖波实验室）
综上，研究者通过构建MIOS敲除小鼠，使氨基酸感知/信号通路阻断，发现少突胶质细胞中氨基酸活化mTORC1过程受损，并导致少突胶质细胞发育障碍，这一过程具有细胞特异性。通过各种生化，细胞，和电镜实验，研究人员发现MIOS敲除小鼠中有广泛且持久的髓鞘缺陷，说明氨基酸感知/信号通路调控髓鞘发育过程。该研究的发现证明氨基酸不但作为营养物质参与细胞内合成代谢等过程，还作为信号分子在细胞内参与信号通路调控，在哺乳动物中枢神经系统髓鞘发育过程中起重要作用（图5）。
通过在MIOS敲除小鼠中过表达RHEB恢复mTORC1活性，研究人员发现其髓鞘缺陷仍然存在，说明MIOS参与的氨基酸感-mTORC1通路对髓鞘发育的调控必不可少，可能协同生长因子等其他信号通路调控髓鞘发育过程（图5）。
除此之外，虽然到目前为止，已报道的氨基酸感知器都通过GATOR1/2复合物参与mTORC1通路[10–13]，但不排除氨基酸感知还存在其他不依赖于mTORC1的方式调节细胞或组织发育等代谢过程。如2019年曾有文献报道，GATOR2复合中另一组分Seh1L，在少突胶质细胞内核孔上，通过与Olig2/Brd7形成复合物，调控髓鞘蛋白基因的表达，从而参与髓鞘发育的调节[14]。
原文链接：https://www.pnas.org/content/119/3/e2110917119
南方科技大学生命科学学院和哈尔滨工业大学联合培养博士于宗燕（左）为本文的第一作者，南方科技大学生命科学学院肖波教授（右）和约翰霍普金斯大学Paul F. Worley教授为本文的通讯作者。该工作得到了南方科技大学生命科学学院、国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会、深圳市基因调控与系统生物学重点实验室及深港脑科学研究院等机构和经费的大力支持。
（照片提供自肖波实验室）
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参考文献（上下滑动查看）
1.Stadelmann, C., Timmler, S., Barrantes-Freer, A. & Simons, M. Myelin in the Central Nervous System: Structure, Function, and Pathology. Physiological Reviews 99, 1381–1431 (2019).
2.Bergles, D. E. & Richardson, W. D. Oligodendrocyte Development and Plasticity. Cold Spring Harb Perspect Biol 8, a020453 (2016).
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4.Hietakangas, V. & Cohen, S. M. Regulation of tissue growth through nutrient sensing. Annu Rev Genet 43, 389–410 (2009).
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6.Zou, Y. et al. Oligodendrocyte Precursor Cell-Intrinsic Effect of Rheb1 Controls Differentiation and Mediates mTORC1-Dependent Myelination in Brain. Journal of Neuroscience 34, 15764–15778 (2014).
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10.Chen, J. et al. SAR1B senses leucine levels to regulate mTORC1 signalling. Nature 596, 281–284 (2021).
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14.Liu, Z. et al. Nucleoporin Seh1 Interacts with Olig2/Brd7 to Promote Oligodendrocyte Differentiation and Myelination. Neuron 102, 587-601.e7 (2019).
制版︱王思珍
本文完