線粒體（mitochondrion）是一種存在于大多數(shù)真核細(xì)胞，由兩層膜包被的細(xì)胞器。線粒體功能障礙與精神類疾病和神經(jīng)發(fā)育障礙有關(guān)，然而線粒體失調(diào)如何導(dǎo)致神經(jīng)精神疾病，發(fā)育期間線粒體如何被調(diào)節(jié)尚不清楚。脆性X信使核糖核蛋白1蛋白（FMRP）是一種在大腦中富集的RNA結(jié)合蛋白，已有大量研究表明FMRP的缺乏會(huì)導(dǎo)致脆性X綜合癥（FXS），但作用機(jī)制尚不清楚。

2023年9月，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校趙新宇實(shí)驗(yàn)室在Neuron發(fā)表文章，揭示了FMRP在人類和獼猴胎兒大腦發(fā)育起到的關(guān)鍵作用。

1. 識(shí)人類發(fā)育中的FMRP缺陷神經(jīng)元表現(xiàn)出線粒體缺陷和興奮過(guò)度

趙新宇實(shí)驗(yàn)室在之前的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了FMRP缺陷會(huì)導(dǎo)致小鼠神經(jīng)元線粒體融合減少、線粒體碎裂，而增強(qiáng)線粒體融合可以挽救Fmr1-KO小鼠的行為缺陷。然而，人類與小鼠的基因差異很大，線粒體是否與人類FXS相關(guān)？

基于以上問(wèn)題，研究人員首先確定了FMRP缺陷在人類皮層發(fā)育期間也影響神經(jīng)元線粒體。他們從已故的胎兒大腦組織（受孕后14-17周）中制備皮層切片，使用慢病毒（LV）敲低切片中的FMR1（LV-shFMR1-mCherry），同時(shí)使用熒光LV標(biāo)記線粒體（LV-syn-mitoGFP）（圖1A、1B）。發(fā)現(xiàn)敲低FMR1后，神經(jīng)元近端樹(shù)突碎裂，線粒體數(shù)量減少（圖1E），氧化應(yīng)激增加。這一現(xiàn)象在使用LV-shFMR1感染獼猴中期胚胎的皮層切片中也存在（圖1H-1L），表明FMRP對(duì)線粒體功能的調(diào)控在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中是保守的。此外，電生理記錄顯示LV-shFMR1感染的神經(jīng)元興奮性增加。（圖1M-1P）因此得出結(jié)論：FMRP缺陷在人類胎兒發(fā)育期間會(huì)導(dǎo)致線粒體缺陷和神經(jīng)元興奮性升高，F(xiàn)MRP缺陷會(huì)影響人類FXS神經(jīng)元的線粒體功能。

圖1：FMRP缺乏導(dǎo)致人類和靈長(zhǎng)類胎兒皮質(zhì)切片中的線粒體缺陷和神經(jīng)元過(guò)度興奮

2. MRP是人類神經(jīng)元發(fā)育中調(diào)控至關(guān)重要的基因

研究者隨后評(píng)估了FXS神經(jīng)元中的線粒體基因變化，發(fā)現(xiàn)人類FXS神經(jīng)元的線粒體生成基因（PPARGC1A）水平降低、線粒體融合基因（MFN1和OPA1）水平降低，線粒體分裂基因FIS1水平升高。為探究機(jī)制，研究者將3個(gè)具有內(nèi)源FLAG-標(biāo)記FMRP的hPSC細(xì)胞系分化為神經(jīng)元，并進(jìn)行CLIP-seq（圖2A）。基因富集結(jié)果表明，F(xiàn)MRP結(jié)合的mRNA在早期發(fā)育的通路中富集，包括細(xì)胞器形態(tài)發(fā)生、分化的細(xì)胞形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞骨架蛋白結(jié)合、微管結(jié)合、軸突引導(dǎo)和神經(jīng)元投射（圖2B），且FMRP在ASD和NDD風(fēng)險(xiǎn)基因中顯著富集。

并發(fā)現(xiàn)7個(gè)基因的mRNA僅在成熟的人類神經(jīng)元中與FMRP結(jié)合，這些基因可能在更成熟的人類神經(jīng)元中發(fā)揮關(guān)鍵作用。進(jìn)一步將人類成熟的神經(jīng)元靶標(biāo)與已發(fā)表的小鼠神經(jīng)元中的FMRP靶標(biāo)進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)FMRP只結(jié)合了部分mRNA，如RACK1和HSP90AA1 mRNA，這些靶標(biāo)特定于人類成熟神經(jīng)元，表現(xiàn)出物種特異性。

圖2：FMRP靶向人類成熟的神經(jīng)元

3. RACK1水平降低導(dǎo)致線粒體缺陷和高度興奮性

接下來(lái)，研究者想確定哪些FMRP靶標(biāo)直接參與了線粒體功能紊亂和高度興奮性。結(jié)果顯示FXS神經(jīng)元和FMRP缺陷神經(jīng)元中RACK1的mRNA和蛋白質(zhì)水平都顯著降低（圖4A–4D）。此外，RACK1的敲除，而不是CRMP1、DYNC1H1或SPTBN1，導(dǎo)致人類PSC分化的神經(jīng)元線粒體膜電位顯著降低（圖4F、4G）。因此可以確定RACK1是FMRP特異性靶標(biāo)，RACK1缺陷導(dǎo)致線粒體功能障礙和神經(jīng)元高度興奮，類似于FXS神經(jīng)元。

使用共免疫沉淀結(jié)合質(zhì)譜技術(shù)，研究者鑒定了與FMRP相互作用的56個(gè)蛋白質(zhì)。并發(fā)現(xiàn)FMRP與CNOT1蛋白質(zhì)有重要的相互作用， 促進(jìn)與RACK1 mRNA的結(jié)合，并維持其在發(fā)育中的穩(wěn)定性。

4. 線粒體保護(hù)劑糾正FMRP缺陷的人類神經(jīng)元的高度興奮性

最后他們研究了增強(qiáng)線粒體功能是否可以挽救人類FXS。他們?cè)u(píng)估了17種FDA批準(zhǔn)的藥物和可能增強(qiáng)線粒體功能的天然產(chǎn)物，以及在Fmr1-KO小鼠神經(jīng)元上測(cè)試的一些激活劑。發(fā)現(xiàn)一種用于治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的抗炎藥物--LEF在FXS神經(jīng)元中持續(xù)提高了MMP并減少了過(guò)度興奮的表現(xiàn)。盡管其作用機(jī)制尚不清楚，但LEF已被證明可以激活哺乳動(dòng)物細(xì)胞中MFN1和MFN2基因的表達(dá)。這些數(shù)據(jù)支持增強(qiáng)線粒體功能可以糾正由FMRP缺陷導(dǎo)致的人類神經(jīng)元缺陷。

總結(jié)

FMRP在人類胚胎發(fā)育期間對(duì)于維護(hù)線粒體功能至關(guān)重要，由于神經(jīng)元依賴線粒體而不是糖酵解來(lái)產(chǎn)生能量，即使線粒體功能輕微降低也會(huì)產(chǎn)生顯著和深遠(yuǎn)的影響。

本項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了FMRP在發(fā)育中人類神經(jīng)元線粒體功能的重要作用，以及物種特異性的重要性。FMRP蛋白質(zhì)和mRNA在胚胎發(fā)育到成年在哺乳動(dòng)物新皮質(zhì)中表達(dá)，出生后進(jìn)一步增加，F(xiàn)MRP在后天腦部神經(jīng)成熟和突觸可塑性中具有重要作用。

FMRP缺陷可以導(dǎo)致一些基因上調(diào)，但也導(dǎo)致一些基因下調(diào)。尚不清楚FMRP如何實(shí)現(xiàn)細(xì)胞類型和靶基因的特異性，以及FMRP的蛋白質(zhì)相互作用是否影響功能。作者也在文章中提出：在接下來(lái)的研究中，探討RACK1是否對(duì)FMRP功能影響會(huì)有物種差異是有趣且重要的。

原文鏈接：

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(23)00702-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS089662732300702X%3Fshowall%3Dtrue

參考文獻(xiàn)

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.

編譯作者：zoey（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）