慢病毒系列 | 一文掌握原代神经元的基因调控策略

 

神经元即神经细胞，是构成神经系统最基本的结构和功能单位。大脑由大量相互连接的神经元组成，科学家们开展了大量的研究来解析关于神经元的奥秘。本文中，小编整理了病毒载体助力阿尔兹海默症、抑郁症以及大脑神经发育等相关研究成果，以期为科研人er提供新的研究思路！
 

1、原代海马神经元

 

文章标题：Intracellular accumulation of tau inhibits autophagosome formation by activating TIA1-amino acid-mTORC1 signaling

研究内容：自噬功能障碍与阿尔茨海默症

发表期刊：Mil Med Res  IF：34.915

作者及单位：华中科技大学 王建枝教授

细胞类型：原代海马神经元（来源18d胎鼠）

病毒载体：Lenti-eGFP-hTau/ Lenti-eGFP-C1/ LentieGFP-P2A-hTau/ Lenti-eGFP-P2A-C1

 

自噬功能障碍在阿尔茨海默病(AD)的tau蛋白累积和神经变性中起着至关重要的作用。本研究旨在探讨tau蛋白的积累是否以及如何反过来影响自噬。研究表明通过过表达人类全长野生型tau蛋白模拟AD样tau蛋白累积可诱导自噬缺陷。增加的tau蛋白可以与T细胞胞内抗原1的朊病毒相关结构域(PRD-TIA1)结合，显著增加细胞间氨基酸水平，同时伴随mTORC1活性的上调，抑制自噬体形成。如预期，这种tau诱导的自噬体形成不足反过来加剧了tau的积累。重要的是，通过过表达PRD-TIA1阻断TIA1和tau的相互作用、通过shRNA下调内源性TIA1的表达、或通过小蛋白水解靶向嵌合体(PROTAC)下调tau蛋白水平，均可以显著减轻tau诱导的自噬损伤。

图1. Tau正向调节TIA1在海马神经元中的胞质定位（PMID: 35799293）

 

文章标题：Stress-induced reduction of Na⁺/H⁺ exchanger isoform 1 promotes maladaptation of neuroplasticity and exacerbates depressive behaviors

研究内容：抑郁症

发表期刊：Sci Adv IF：14.957

作者及单位：山东大学齐鲁医学院基础医学院 于书彦教授

实验动物：雄性Thy1-Cre小鼠

细胞类型：原代海马神经元（来源P1新生大鼠）

病毒载体：AAV2/9-CaMKIIα-NHE1 shRNA-eGFP/ AAV2/9-CMV-DIO-CUL4A-eGFP/ AAV2/9-CaMKIIα-hM4D(Gi)-mCherry/ AAV2/9-hSyn-DIO-hM4D(Gi)-mCherry/ LV-NHE1shRNA-eGFP/ LV-NC

 

抑郁症(Major depression disorder, MDD)是一种以特定脑区神经元活动异常为特征的神经精神疾病。细胞内pH（pHi）稳态是维持正常神经元功能的关键因素。研究发现慢性应激可诱导动物模型的抑郁样行为，并下调海马Na⁺/H⁺交换体1（NHE1）的表达，NHE1是神经元内pHi的主要决定因素。敲低海马CA1区锥体神经元NHE1导致细胞内酸化，促进树突棘丢失，降低兴奋性突触传递，增强大鼠对应激暴露的易感性。此外，E3泛素连接酶cullin4A可能促进NHE1的泛素化和降解，从而诱导不平衡的pHi对突触过程的影响。电生理数据也提示，神经可塑性适应不良导致的海马神经元兴奋性异常可能参与了MDD的发病机制。

图2. AAV立体定位注射＆LV体外感染神经元（PMID: 36367929）

文章标题：p85S6K sustains synaptic GluA1 to ameliorate cognitive deficits in Alzheimer’s disease

研究内容：阿尔兹海默症

发表期刊：Transl Neurodegener IF：9.883

作者及单位：上海交通大学医学院 邱瑜教授

细胞类型：原代海马神经元（来源新生24h的SD大鼠海马组织）

病毒载体：LV-OE-p70S6K/ LV-OE-p85S6K/ LV-OE-Flag-p85S6KT421A/ LV-NC

感染经验：MOI=4

 

核糖体蛋白S6激酶1 (S6K1)是一种丝氨酸-苏氨酸激酶，有两种主要亚型:p70S6K (70-kDa亚型)和p85S6K (85-kDa亚型)。p70S6K及其上游哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)已被证明参与学习和记忆，并参与阿尔茨海默病(AD)的病理生理过程。本文验证了p85S6K在突触后密集区中富集，敲低p85S6K会导致空间和识别记忆的缺陷。此外，p85S6K可以通过突触相关蛋白97和a激酶锚定蛋白79/150与AMPA受体的GluA1亚基相互作用。机制研究表明，p85S6K可以直接在Ser845磷酸化GluA1并增加突触中GluA1的数量，从而维持突触功能和脊柱密度。此外，我们发现p85S6K在AD患者和AD小鼠大脑的突触体室中特异性降低。过表达p85S6K可改善转基因AD模型小鼠的突触功能和认知功能障碍。这些发现为p85S6K作为AD治疗潜在靶点提供了一种见解。

图3. p85S6K磷酸化GluA1并促进脊柱密度和突触强度（PMID: 36624510）

 

2、原代大脑皮层神经元

文章标题：Sevoflurane impairs m6A-mediated mRNA translation and leads to fine motor and cognitive deficits

研究内容：大脑神经发育

发表期刊：Cell Biol Toxicol IF：6.819

作者及单位：中国科学院上海药物研究所 冯林音研究员

实验动物：C57BL/J6小鼠

细胞类型：原代皮质神经元（胚胎期14.5d）

病毒载体：AAV-CMV-YTHDF1-3flag-2A-mcherry-wpre/ AAV-NC/ LV-FUGW-UBI-YTHDF1-3flag-2A-mcherry/ LV-NC

病毒用量：10 μL（1.99 × 10¹³ VG/mL）左心室注射AAV

 

在临床手术中发现，多次麻醉的患儿可能会导致认知和精细运动控制缺陷的风险增加，长时间麻醉的儿童在术后6个月时精细运动技能受损。研究发现YT521-B同源结构域家族1 (YTHDF1)是一种重要的N6基因编码蛋白，在多次七氟醚麻醉暴露后，YTHDF1在幼鼠前额叶皮质中显著下调。七氟醚导致小鼠皮质神经元的蛋白质合成减少可以通过YTHDF1得到挽救，这表明麻醉可能通过影响m6A依赖的mRNA翻译来影响早期脑发育。全转录组证明小鼠前额叶皮质中，突触前蛋白突触素被m6A甲基化特异性修饰并与YTHDF1相关，并且突触素的m6A甲基化随着七氟醚的多次暴露而降低。多次麻醉暴露的小鼠，精细运动控制技能和认知功能受损，而这些影响通过可通过血脑屏障(BBB)的病毒递送系统重新引入的YTHDF1完全逆转。研究揭示通过N6-甲基腺苷甲基化的mRNA翻译调节受损是麻醉影响年轻大脑神经发育的潜在机制。

图4：七氟醚在体外抑制YTHDF1依赖性蛋白合成（PMID: 33928466）

 

文章标题：Pyk2 inhibition attenuates hypoxic-ischemic brain injury in neonatal mice

研究内容：新生儿缺氧缺血性脑损伤

发表期刊：Acta Pharmacol Sin IF：7.169

作者及单位：中国医学科学院北京协和医学院 陈乃宏

实验动物：CD-1幼鼠

细胞类型：原代皮质神经元（胚胎期14d）

病毒载体：pLKD-U6- Pyk2 shRNA-CMV-eGFP（8.12 × 10⁸ TU/mL）/ pLenti-HIF-1α promoter-EGFP-3FLAG-micro30 shRNA（Pyk2 shRNA）（1.78 × 10⁹TU/mL）/ LV-NC（6.55 × 10⁸ TU/mL）

注射方式：侧脑室（ICV）注射 3μL

感染经验：MOI=40

 

新生儿缺氧缺血性脑损伤目前仍缺乏有效的治疗方法。富含脯氨酸的酪氨酸激酶2 (Proline-rich tyrosine kinase 2, Pyk2)是一种非受体酪氨酸激酶，与成人短暂性缺血性脑损伤高度相关。本文探讨Pyk2在新生儿HI脑损伤中的作用。采用单侧颈总动脉结扎+低氧暴露的方法建立7日龄小鼠HI模型。构建Pyk2干扰慢病毒(LV-Pyk2 shRNA)，于HI前注射至新生小鼠单侧脑室。出生后8 ~ 14 d，观察大鼠脑梗死体积、病理学改变及神经行为学变化。结果发现Pyk2的磷酸化水平在新生儿HI后显著增加，而LV-Pyk2 shRNA注射显著减轻了急性HI脑损伤并改善了神经行为结局。在氧糖剥夺培养的皮质神经元中，抑制Pyk2可显著减轻NMDA受体介导的兴奋性毒性；在新生儿HI脑损伤中也观察到类似的结果。通过激光散斑对比成像证明了Pyk2抑制有助于长期脑血管恢复，但在Morris水迷宫和新物体识别测试中评估的认知功能没有明显改善。因此，慢病毒携带HIF-Pyk2 shRNA在缺氧环境中通过HIF-1α启动子介导对Pyk2的干扰。侧脑室注射LV-HIF-Pyk2 shRNA可显著改善HI治疗新生小鼠的长期认知功能恢复。以上结果表明Pyk2干扰对新生儿缺氧缺血性脑损伤具有保护作用，并且HIF-1α启动子介导的低氧条件调控是区分低氧期和正常期的有效方式。Pyk2有望成为治疗新生儿HI脑损伤的潜在药物靶点。

图5. 抑制Pyk2减轻新生儿HI后急性脑损伤以及减轻由NMDA受体介导的神经毒性损伤（PMID: 34226665）

 

文章标题：Nonoxid-HMGB1 Attenuates Cognitive Impairment After Traumatic Brain Injury in Rats

研究内容：创伤性脑损伤

发表期刊：Front Med (Lausanne) IF：5.058

作者及单位：广州中山大学附属第三医院神经外科 郭英

细胞类型：原代皮质神经元（产后1-3d新生大鼠）

病毒载体：pLKD-CMV-mcherry-2A-puro-U6-shSH3RF2/ pLKD-CMV-mcherry-2A-puro-U6

感染经验：MOI=20

 

创伤性脑损伤(TBI)成为全球主要的健康负担。高迁移率族蛋白b1 (HMGB1)是一种炎症介质可促进神经发生和轴突再生。SH3RF2是一种含E3连接酶SH3结构域的环指蛋白2，属于SH3RF蛋白家族。本文研究HMGB1的氧化还原状态在体外和体内神经突生长和再生中的作用。通过不同的重组HMGB1氧化还原异构体、RNA-seq测序分析预测潜在靶点、WB和IF检测SH3RF2蛋白的变化和分布、利用病毒载体进行调控基因表达、构建富含非氧化物hmgb1的外泌体用于治疗TBI大鼠、采用OF试验和NOR试验评价神经功能。结果表明，非氧化型HMGB1和fr-HMGB1（fully reduced HMGB1）促进轴突生长和延伸并使得神经元中的SH3RF2显著增加。SH3RF2的下调减弱非氧化型HMGB1的有利作用，HMGB1可通过SH3RF2改善大鼠TBI后的认知功能障碍。文章证明非氧化物HMGB1是通过上调SH3RF2的表达促进神经突生长和再生，非氧化型HMGB1是治疗TBI的潜在药物。

图6. 非氧化型HMGB1通过SH3RF2促进轴突生长（PMID: 35479959）

3、原代DRG神经元

文章标题：ZNF382 controls mouse neuropathic pain via silencer-based epigenetic inhibition of Cxcl13 in DRG neurons

研究内容：神经病理性疼痛

发表期刊：J Exp Med IF：17.579

作者及单位：浙江大学医学院第二附属医院 严敏

细胞类型：原代DRG神经元（3-4周龄C57BL/6J小鼠）

病毒载体：pLenti-MCS-EF1a-Cas9-FLAG-P2A-GFP（敲除）

 

神经损伤引起的背根神经节(dorsal root ganglion, DRG)基因表达的改变是神经病理性疼痛发生的关键。锌指蛋白382 (ZNF382)在神经损伤后的DRG神经元中表达下调，挽救这种下调可减轻伤害性超敏反应。相反，模拟这种下调可产生神经病理性疼痛症状，而敲低C-X-C基序趋化因子13 (CXCL13)或敲除其受体CXCR5可缓解这一症状。机制上，CXCL13启动子上游的顺式作用沉默子通过与ZNF382结合来抑制CXCL13的转录。阻断这一结合或从基因上删除这一沉默子可消除ZNF382对CXCL13转录的抑制作用，并损害ZNF382诱导的抗伤害性感受。此外，ZNF382的下调破坏了沉默-启动子环的抑制性表观遗传复合体，包括组蛋白去乙酰化酶1和SET结构域分叉1，从而导致CXCL13转录激活。因此，神经病理性疼痛需要ZNF382的下调，这可能是通过基于沉默的表观遗传去抑制DRG神经元中CXCL13，而CXCL13是神经病理性疼痛的关键参与者。

图7. ZNF382对CXCL13表观遗传修饰的调控需要沉默子（PMID: 34762123）

  

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