神經(jīng)元在大腦發(fā)育時(shí)，會(huì)伸出“觸角”去找到正確的連接目標(biāo)。這個(gè)“觸角”的尖端叫生長(zhǎng)錐（GC），它會(huì)攜帶特定的RNA指令來(lái)指導(dǎo)怎么長(zhǎng)、連到哪兒。

基于此，2025年12月29日，哈佛大學(xué)Jeffrey D. Macklis?研究團(tuán)隊(duì)在nature neuroscience雜志發(fā)表了“Dynamic subtype- and context-specific subcellular RNA regulation in growth cones of developing neurons of the cerebral cortex”揭示了發(fā)育中大腦皮層神經(jīng)元生長(zhǎng)錐內(nèi)動(dòng)態(tài)的、亞型和情境特異性的亞細(xì)胞RNA調(diào)控。

這項(xiàng)研究聚焦于發(fā)育中大腦皮層兩類(lèi)長(zhǎng)距離投射神經(jīng)元的“生長(zhǎng)錐”（軸突前端的導(dǎo)航結(jié)構(gòu)），首次系統(tǒng)比較了它們?cè)诓煌l(fā)育階段生長(zhǎng)錐內(nèi)的局部mRNA組成。研究發(fā)現(xiàn)，這些mRNA不僅參與調(diào)控軸突生長(zhǎng)、靶向連接和突觸形成等關(guān)鍵過(guò)程，還富集了許多與神經(jīng)發(fā)育障礙和精神疾病相關(guān)的基因。作者進(jìn)一步識(shí)別出mRNA 3′非翻譯區(qū)中引導(dǎo)其定位到生長(zhǎng)錐的特定序列“標(biāo)簽”并驗(yàn)證了CPEB4和RBMS1等調(diào)控因子在軸突分支和胼胝體環(huán)路形成中的重要作用。該工作揭示了神經(jīng)元如何通過(guò)局部mRNA精準(zhǔn)控制軸突發(fā)育，為理解自閉癥、精神分裂癥等疾病的分子機(jī)制提供了新線索，也為其他極性細(xì)胞（如神經(jīng)元以外的細(xì)胞）的亞細(xì)胞功能研究提供了通用框架。

圖一 皮層投射神經(jīng)元亞型擁有空間分隔、功能特異的待激活轉(zhuǎn)錄組

為探究不同類(lèi)型神經(jīng)元如何通過(guò)亞細(xì)胞層面的分子機(jī)制構(gòu)建特異性神經(jīng)環(huán)路，研究人員在兩個(gè)發(fā)育時(shí)間點(diǎn)分別分離了胼胝體投射神經(jīng)元（CPN）和皮質(zhì)丘腦投射神經(jīng)元（CThPN）的GC與胞體，并進(jìn)行高精度RNA測(cè)序。

他們利用熒光標(biāo)記結(jié)合亞細(xì)胞分選技術(shù)精準(zhǔn)獲取發(fā)育中小鼠腦內(nèi)的GC樣本，并通過(guò)比對(duì)輸入樣本排除環(huán)境RNA污染，最終鑒定出CPN中865個(gè)、CThPN中624個(gè)真正富集于GC的基因。分析發(fā)現(xiàn)，這些GC富集基因主要參與蛋白質(zhì)翻譯和突觸形成等過(guò)程；整體上，亞細(xì)胞定位（GC vs 胞體）是轉(zhuǎn)錄組差異的主導(dǎo)因素?？紤]到兩類(lèi)神經(jīng)元發(fā)育節(jié)奏不同（CThPN比CPN早約兩天完成軸突靶向），研究進(jìn)一步按“發(fā)育階段”而非絕對(duì)日齡進(jìn)行比較，結(jié)果顯示：同一類(lèi)型神經(jīng)元在不同時(shí)間點(diǎn)的GC更相似，而不同類(lèi)型之間的GC差異更大。

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這表明，神經(jīng)元不僅依賴特定基因，還通過(guò)精確的時(shí)間調(diào)控，將正確的RNA運(yùn)送到生長(zhǎng)錐，從而指導(dǎo)特異性神經(jīng)環(huán)路的形成。

圖二 CPN與CThPN擁有調(diào)控軸突導(dǎo)向的特異性生長(zhǎng)錐轉(zhuǎn)錄組

接下來(lái)，作者比較了兩種皮層投射神經(jīng)元（CPN和CThPN）生長(zhǎng)錐（GC）中RNA的差異，篩選出509個(gè)可比基因，其中 99個(gè)在CPN的GC中富集，185 個(gè)在 CThPN 中富集。這些差異可能來(lái)自兩方面：一是胞體本身的基因表達(dá)不同，二是 RNA 被運(yùn)輸?shù)紾C的方式或穩(wěn)定性存在亞型特異性，后者對(duì)許多 GC 特有基因更重要。

值得注意的是，自閉癥和精神分裂癥相關(guān)基因在兩類(lèi)神經(jīng)元的GC和胞體中都顯著富集，尤其是約三分之一的自閉癥風(fēng)險(xiǎn)基因出現(xiàn)在GC中，提示局部 RNA 調(diào)控異?？赡苤苯訁⑴c神經(jīng)發(fā)育障礙。

功能分析還發(fā)現(xiàn)：CThPN 的 GC 更多富集與蛋白質(zhì)合成（如核糖體、翻譯）相關(guān)的基因，而CPN的GC則富集調(diào)控肌動(dòng)蛋白骨架和突觸形成的基因（如 WAVE復(fù)合物成員Wave1/2、Actr2、Abi1），反映出兩者處于不同發(fā)育階段，對(duì)局部 RNA 的需求也不同。

圖三 兩種神經(jīng)元生長(zhǎng)錐mRNA共有的CPEB4相關(guān)3′UTR特征

研究人員發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型的皮層投射神經(jīng)元會(huì)將特定的mRNA運(yùn)送到軸突前端（即生長(zhǎng)錐），以支持局部蛋白質(zhì)合成，從而指導(dǎo)軸突生長(zhǎng)和靶向連接。這些mRNA的3′非翻譯區(qū)（3′ UTR）通常更長(zhǎng)，并富含特定序列（如富含尿嘧啶的CPE元件），可被RNA結(jié)合蛋白CPEB4識(shí)別。

CPEB4在生長(zhǎng)錐中富集，能結(jié)合這些mRNA，在未激活狀態(tài)下抑制翻譯；當(dāng)接收到信號(hào)（如磷酸化）后轉(zhuǎn)為啟動(dòng)翻譯，實(shí)現(xiàn)“按需生產(chǎn)”蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)顯示，敲低Cpeb4會(huì)減少神經(jīng)突分支，并暫時(shí)延緩胼胝體纖維穿越中線和支配對(duì)側(cè)皮層的過(guò)程，但后期可部分恢復(fù)，說(shuō)明CPEB4主要調(diào)控發(fā)育時(shí)序而非決定命運(yùn)。

此外，自閉癥相關(guān)基因在這些生長(zhǎng)錐富集的mRNA中顯著富集，而CPEB4本身也與自閉癥有關(guān)，提示這類(lèi)局部RNA調(diào)控機(jī)制的異常可能參與神經(jīng)發(fā)育障礙。

總結(jié)

理解神經(jīng)元亞型特異性的軸突與生長(zhǎng)錐中亞細(xì)胞分子機(jī)制，及其在不同亞型和環(huán)路發(fā)育階段中的動(dòng)態(tài)局部調(diào)控，有助于從機(jī)制上闡明功能特異性神經(jīng)環(huán)路的形成過(guò)程以及因發(fā)育異常而導(dǎo)致的環(huán)路紊亂。在體研究能夠明確環(huán)路精確性和復(fù)雜性建立過(guò)程中的關(guān)鍵發(fā)育階段。本文所揭示的大腦皮層生長(zhǎng)錐中動(dòng)態(tài)、亞型特異且依賴發(fā)育情境的亞細(xì)胞RNA調(diào)控機(jī)制，及其在多樣而精準(zhǔn)的神經(jīng)環(huán)路構(gòu)建中的作用，為深入理解神經(jīng)環(huán)路的組織與功能、環(huán)路發(fā)育異常、疾病風(fēng)險(xiǎn)基因的選擇性易感性，以及神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)精神疾病的病因?qū)W奠定了基礎(chǔ)。

文章來(lái)源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02173-0

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