STTT︱卢应梅/韩峰团队合作揭示小脑IV/V叶到顶核的环路异常导致共济失调发生分子机制

撰文︱刘秀秀

责编︱王思珍，陆   一

编辑︱查佳雪

共济失调是由小脑病变引起的一种神经系统性疾病，其常见的病理学表型是小脑浦肯野神经元异常[1]。浦肯野神经元的病理学表型常见于一系列遗传性和获得性小脑疾病中。研究表明小脑浦肯野神经元异常参与了诸多的神经精神疾病的发生发展过程。研究发现在共济失调病人的病理过程中，小脑的浦肯野神经元随着病程进展其数量逐渐减少[2]；而在29例的自闭症患者尸检报告中，有21例患者表现为小脑浦肯野神经元丢失[3]；同时在阿尔兹海默病的尸检病例中也发现小脑浦肯野神经元树突分支丢失的病理现象；浦肯野神经元在狂犬病也出现一定损伤[4]。鉴于小脑浦肯野神经元数量、形态和功能异常的机制了解甚少，因此深入探究浦肯野神经元功能缺失介导运动障碍的分子机制及其环路基础，寻找有效和安全的治疗方法是目前国内外基础和临床研究所面临的亟待解决的重要科学问题。

浦肯野神经元是小脑皮层中主要且重要的GABA能神经元，是小脑皮质发出的唯一能够传出冲动的神经元[5]。迄今为止，小脑浦肯野神经元活性异常所介导的各个小叶到深部核团之间的特异性投射环路鲜见报道。哺乳动物的小脑皮层由10个小叶构成（前叶：I-V叶；后叶：VI-X叶），前叶主要负责控制肢体平衡和运动协调相关的功能如共济失调，后叶主要负责调节社交相关的功能包括自闭、认知等[6]。近期有研究报道作为前叶中最大的一个叶，IV/V叶在社交行为、工作记忆和空间记忆中同样起到重要作用[7]，那么IV/V叶所调控的不同的行为学表型是否是由于IV/V叶浦肯野神经元与不同的小脑深部核团之间的投射障碍所介导呢？小脑深部核团包括顶核、中介核和齿状核，其中顶核可通过投射至大脑不同的区域从而介导运动及非运动相关的功能。

最近，南京医科大学基础医学院卢应梅教授课题组与药学院韩峰教授课题组合作在Signal Transduction and Targeted Therapy在线发表题为“BOD1 regulates the cerebellar IV/V lobe-fastigial nucleus circuit associated with motor coordination”的最新研究文章。刘秀秀博士为论文第一作者，卢应梅教授和韩峰教授为论文共同通讯作者。该研究首次报道特异性IV/V叶到顶核环路异常是导致小脑性共济失调发生的重要病因之一。

本文中，研究者采用顺向示踪病毒确认小脑皮层IV/V叶到顶核之间存在特异性投射（IV/V lobe^PCs→FN^CaMKIIα+）（图1 c-e）。同时，研究者采用逆向示踪病毒结合不同神经元标志物进一步确认了IV/V叶浦肯野神经元与顶核谷氨酸能神经元之间的结构联系（图1 f-i），并采用离体膜片钳记录证实了这种解剖学联系属于功能性单单突触投射（图1 j-m）。

图1 IV/V叶浦肯野神经元与顶核谷氨酸能神经元解剖学投射

（图源：Xiuxiu Liu, et al., STTT, 2022）

当研究者采用光遗传及化学遗传方法特异性调控IV/V叶浦肯野神经元投射至顶核的轴突末梢，发现特异性抑制IV/V lobe^PCs→FN^CaMKIIα+投射可诱导小鼠产生共济失调样行为（图2 a-j）。

图2 光遗传抑制IV/V叶浦肯野神经元至顶核谷氨酸能神经元投射诱导共济失调样行为

（图源：Xiuxiu Liu, et al., STTT, 2022）

神经环路异常的主要原因是神经元兴奋与抑制失衡所介导的异常电生理活动。为了寻找导致IV/V叶浦肯野神经元至顶核谷氨酸能神经元投射功能异常的分子机制，研究人员通过转录组学分析发现BOD1在小脑浦肯野细胞中高表达，并且在共济失调样模型中呈现明显下调（图3 a-c）。通过Cre/Loxp系统敲除浦肯野细胞中BOD1可导致基因小鼠出现共济失调样表型（图2 f-m）。

图3 浦肯野神经元敲除BOD1诱导共济失调样行为

（图源：Xiuxiu Liu, et al., STTT, 2022）

团队人员通过浦肯野神经元启动子结合腺相关病毒特异性敲除IV/V叶浦肯野神经元中BOD1进一步确认了浦肯野神经元中BOD1缺少可影响IV/V叶浦肯野神经元活性，进而导致IV/V叶至顶核环路异常，从而介导了小鼠共济失调样行为（图4 a-p）。

图4 IV/V叶浦肯野神经元特异性敲除BOD1诱导共济失调样行为

（图源：Xiuxiu Liu, et al., STTT, 2022）

神经元异常放电归咎于其自身的被动膜特性或者兴奋性及抑制性突触传递异常[8]。研究人员发现IV/V叶浦肯野神经元特异性敲除BOD1小鼠模型中，IV/V叶浦肯野神经元的兴奋性显著下降（图5 a-g），而PPR及被动膜特性分析结果表明突触前神经递质释放以及膜上离子通道功能均没有改变（图5 h, m），那么影响浦肯野神经元活性异常的原因是什么？通过树突棘染色结合SFV稀疏病毒标记轴突分支，研究人员发现IV/V叶浦肯野神经元特异性敲除BOD1导致其树突棘密度及轴突分支明显下降（图5 m-t）。

图5 浦肯野神经元敲除BOD1降低轴突分支以及树突密度

（图源： Xiuxiu Liu, et al., STTT, 2022）

随后团队人员利用流式分选结合单细胞转录组学分析手段，证明IV/V叶浦肯野神经元BOD1缺失通过调节树突及轴突相关基因进而导致树突密度以及轴突分支下降，浦肯野神经元所接受的兴奋性输入下降引起其活性异常，进而导致其下游投射的顶核中谷氨酸能神经元放电增加引起IV/V叶至顶核的环路功能障碍（图6 f-i）。

图6 IV/V叶浦肯野神经元敲除BOD1降低轴突和树突相关基因表达

（图源： Xiuxiu Liu, et al., STTT, 2022）‍‍‍

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，研究者主要发现了IV/V叶浦肯野神经元至顶核谷氨酸能神经元之间的特异性投射在共济失调样行为中的作用。研究者进一步通过数据库发现BOD1在共济失调模型中显著下调，采用Cre/Loxp技术特异性敲除IV/V叶浦肯野神经元中BOD1，可 导致浦肯野神经元活性下调及下游投射的谷氨酸能神经元活性增加。在此基础上，研究者通过流式分选结合单细胞转录组测序发现浦肯野神经元中BOD1通过调控浦肯野神经元轴突分支及树突密度相关基因而调控浦肯野神经元活性

该研究突出的创新点包括：（1）揭示了BOD1通过调节小脑浦肯野神经元活性而维持IV/V页至顶核环路正常功能的可能机制；（2）这些研究为BOD1相关信号参与运动功能神经环路研究提供了理论解释；（3）这些研究使人们对BOD1相关信号通路参与小脑性运动功能障碍的一些关键蛋白及其相互作用网络和信号通路的生物学意义有更清晰的认识，这些进展可以为小脑关联运动功能障碍的临床诊治和创新药物的研发提供新思路。

尽管该研究为临床治疗共济失调提供了一些分子靶点，但是一方面BOD1调控浦肯野神经元轴突分支以及树突密度具体机制尚不清楚；另一方面IV/V叶投射至顶核的环路异常在共济失调样行为中的作用区别于非运动行为的机制是否与其投射的大脑区域不同所致有待于进一步研究。因此，需要进一步研究BOD1调控浦肯野神经元轴突分支及树突密度的信号通路及采用病毒示踪手段研究顶核与大脑不同区域的投射是否介导不同的行为。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41392-022-00989-x

卢应梅/韩峰团队合照

（照片提供自：卢应梅/韩峰团队）

通讯作者简介（上下滑动阅读）  

卢应梅，南京医科大学基础医学院，教授，博导。担任SCI刊物《J Pharmacol Sci》编委，日本Tohoku University客座教授，中国神经科学学会脑血管功能和疾病分会副主任委员。研究领域包括脑血管相关疾病（脑卒中及血管性认知障碍）的发病机制及药物靶标发现；神经精神疾病的发病机制及药物靶标发现。近5年发表代表性SCI论文40余篇。作为通讯作者研究论文发表在Neuron、Molecular Psychiatry、J Pineal Res等国际刊物。获得教育部自然科学奖一等奖，作为项目负责人承担国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目等。

韩峰，南京医科大学药学院，教授，博导，江苏省重大疾病药物靶标国际联合实验室主任。江苏省“有突出贡献中青年专家”、江苏省优秀科技创新团队和“六大人才高峰”创新团队带头人。研究方向：心脑血管与神经精神重大疾病发病机制和药物靶标研究。作为项目负责人近年承担了国家自然科学重点项目、国家重点研发计划重点项目等。作为通讯作者论文发表在Neuron、J Clin Invest、J Exp Med、Cell Research、JACS等杂志上。

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参考文献（上下滑动阅读）  

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本文完