Neuron：赵新宇团队报道大脑皮层发育障碍中的关键调控机制
线粒体（mitochondrion）是一种存在于大多数真核细胞，由两层膜包被的细胞器。线粒体功能障碍与精神类疾病和神经发育障碍有关，然而线粒体失调如何导致神经精神疾病，发育期间线粒体如何被调节尚不清楚。脆性X信使核糖核蛋白1蛋白（FMRP）是一种在大脑中富集的RNA结合蛋白，已有大量研究表明FMRP的缺乏会导致脆性X综合症（FXS），但作用机制尚不清楚。
2023年9月，美国威斯康星大学麦迪逊分校赵新宇实验室在Neuron发表文章，揭示了FMRP在人类和猕猴胎儿大脑发育起到的关键作用。
1. 识人类发育中的FMRP缺陷神经元表现出线粒体缺陷和兴奋过度
赵新宇实验室在之前的研究中已经发现了FMRP缺陷会导致小鼠神经元线粒体融合减少、线粒体碎裂，而增强线粒体融合可以挽救Fmr1-KO小鼠的行为缺陷。然而，人类与小鼠的基因差异很大，线粒体是否与人类FXS相关？
基于以上问题，研究人员首先确定了FMRP缺陷在人类皮层发育期间也影响神经元线粒体。他们从已故的胎儿大脑组织（受孕后14-17周）中制备皮层切片，使用慢病毒（LV）敲低切片中的FMR1（LV-shFMR1-mCherry），同时使用荧光LV标记线粒体（LV-syn-mitoGFP）（图1A、1B）。发现敲低FMR1后，神经元近端树突碎裂，线粒体数量减少（图1E），氧化应激增加。这一现象在使用LV-shFMR1感染猕猴中期胚胎的皮层切片中也存在（图1H-1L），表明FMRP对线粒体功能的调控在灵长类动物中是保守的。此外，电生理记录显示LV-shFMR1感染的神经元兴奋性增加。（图1M-1P）因此得出结论：FMRP缺陷在人类胎儿发育期间会导致线粒体缺陷和神经元兴奋性升高，FMRP缺陷会影响人类FXS神经元的线粒体功能。
图1：FMRP缺乏导致人类和灵长类胎儿皮质切片中的线粒体缺陷和神经元过度兴奋
2. MRP是人类神经元发育中调控至关重要的基因
研究者随后评估了FXS神经元中的线粒体基因变化，发现人类FXS神经元的线粒体生成基因（PPARGC1A）水平降低、线粒体融合基因（MFN1和OPA1）水平降低，线粒体分裂基因FIS1水平升高。为探究机制，研究者将3个具有内源FLAG-标记FMRP的hPSC细胞系分化为神经元，并进行CLIP-seq（图2A）。基因富集结果表明，FMRP结合的mRNA在早期发育的通路中富集，包括细胞器形态发生、分化的细胞形态发生、细胞骨架蛋白结合、微管结合、轴突引导和神经元投射（图2B），且FMRP在ASD和NDD风险基因中显著富集。
并发现7个基因的mRNA仅在成熟的人类神经元中与FMRP结合，这些基因可能在更成熟的人类神经元中发挥关键作用。进一步将人类成熟的神经元靶标与已发表的小鼠神经元中的FMRP靶标进行比较后，发现FMRP只结合了部分mRNA，如RACK1和HSP90AA1 mRNA，这些靶标特定于人类成熟神经元，表现出物种特异性。
图2：FMRP靶向人类成熟的神经元
3. RACK1水平降低导致线粒体缺陷和高度兴奋性
接下来，研究者想确定哪些FMRP靶标直接参与了线粒体功能紊乱和高度兴奋性。结果显示FXS神经元和FMRP缺陷神经元中RACK1的mRNA和蛋白质水平都显著降低（图4A–4D）。此外，RACK1的敲除，而不是CRMP1、DYNC1H1或SPTBN1，导致人类PSC分化的神经元线粒体膜电位显著降低（图4F、4G）。因此可以确定RACK1是FMRP特异性靶标，RACK1缺陷导致线粒体功能障碍和神经元高度兴奋，类似于FXS神经元。
使用共免疫沉淀结合质谱技术，研究者鉴定了与FMRP相互作用的56个蛋白质。并发现FMRP与CNOT1蛋白质有重要的相互作用， 促进与RACK1 mRNA的结合，并维持其在发育中的稳定性。
4. 线粒体保护剂纠正FMRP缺陷的人类神经元的高度兴奋性
最后他们研究了增强线粒体功能是否可以挽救人类FXS。他们评估了17种FDA批准的药物和可能增强线粒体功能的天然产物，以及在Fmr1-KO小鼠神经元上测试的一些激活剂。发现一种用于治疗类风湿性关节炎的抗炎药物--LEF在FXS神经元中持续提高了MMP并减少了过度兴奋的表现。尽管其作用机制尚不清楚，但LEF已被证明可以激活哺乳动物细胞中MFN1和MFN2基因的表达。这些数据支持增强线粒体功能可以纠正由FMRP缺陷导致的人类神经元缺陷。
总结
FMRP在人类胚胎发育期间对于维护线粒体功能至关重要，由于神经元依赖线粒体而不是糖酵解来产生能量，即使线粒体功能轻微降低也会产生显著和深远的影响。
本项研究强调了FMRP在发育中人类神经元线粒体功能的重要作用，以及物种特异性的重要性。FMRP蛋白质和mRNA在胚胎发育到成年在哺乳动物新皮质中表达，出生后进一步增加，FMRP在后天脑部神经成熟和突触可塑性中具有重要作用。
FMRP缺陷可以导致一些基因上调，但也导致一些基因下调。尚不清楚FMRP如何实现细胞类型和靶基因的特异性，以及FMRP的蛋白质相互作用是否影响功能。作者也在文章中提出：在接下来的研究中，探讨RACK1是否对FMRP功能影响会有物种差异是有趣且重要的。
原文链接：
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00702-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS089662732300702X%3Fshowall%3Dtrue
参考文献
Shen M, Sirois CL, Guo Y, Li M, Dong Q, Méndez-Albelo NM, Gao Y, Khullar S, Kissel L, Sandoval SO, Wolkoff NE, Huang SX, Xu Z, Bryan JE, Contractor AM, Korabelnikov T, Glass IA, Doherty D; Birth Defects Research Laboratory; Levine JE, Sousa AMM, Chang Q, Bhattacharyya A, Wang D, Werling DM, Zhao X. Species-specific FMRP regulation of RACK1 is critical for prenatal cortical development. Neuron. 2023 Oct 10:S0896-6273(23)00702-X. doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.014. Epub ahead of print. PMID: 37820724.
编译作者：zoey（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
