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神经元轴突径向收缩性调控大分子货物运输及结构稳定性的机制研究
第一作者及机构
本研究由Tong Wang（1,2,3）、Wei Li（1,3）、Sally Martin（1,3）等共同完成，通讯作者为Frédéric A. Meunier（1）和Tong Wang（2）。研究团队来自澳大利亚昆士兰大学昆士兰脑研究所（1）、上海科技大学生命科学与技术学院（2）等机构。论文发表于《Journal of Cell Biology》（JCB）2020年第219卷第5期，标题为《Radial contractility of actomyosin rings facilitates axonal trafficking and structural stability》。
学术背景
研究领域与动机
本研究聚焦于神经科学中的轴突运输（axonal trafficking）与细胞骨架动力学领域。哺乳动物中枢神经系统的轴突直径通常不足1微米，但需运输的细胞器（如自噬体、线粒体等）尺寸常超过轴突直径。此前研究发现，轴突会因货物通过发生瞬时扩张，但维持其结构稳定性的机制尚不明确。团队假设：肌动球蛋白-II（actomyosin-II）通过周期性F-肌动蛋白环（F-actin rings）构成的膜相关周期性骨架结构（membrane-associated periodic cytoskeletal structures, MPSs）调控轴突径向收缩性（radial contractility），从而协调运输效率与结构稳定性。
关键科学问题
1. 货物尺寸如何影响轴突运输速度？
2. 轴突如何通过径向收缩性动态响应货物通过？
3. 非肌肉肌球蛋白II（non-muscle myosin II, NM-II）在此过程中的分子机制是什么？
研究方法与流程
研究分为以下核心步骤：
1. 货物尺寸与运输速度的关联分析
- 实验对象：体外培养的大鼠海马神经元（DIV14），使用微流控装置（microfluidic devices）分离轴突束。
- 标记方法：脉冲标记技术（pulse-chase labeling）分别用LysoTracker（溶酶体标记）和霍乱毒素B亚基（cholera toxin subunit B, CTB，内吞体标记）荧光标记不同尺寸的货物。
- 成像技术：共聚焦显微镜（confocal microscopy）时间序列成像，结合Imaris软件自动追踪货物轨迹。
- 数据分析：计算货物直径与平均速度的皮尔逊相关系数，发现二者呈显著负相关（CTB载体：r = -0.273；溶酶体：r = -0.303）。
2. 轴突瞬时扩张的活体观测
- 超分辨成像：采用结构光照明显微镜（structured illumination microscopy, SIM）实时捕捉Lifeact-GFP标记的F-肌动蛋白环在货物通过时的动态变化。
- 电子显微镜（EM）验证：通过定量EM测量轴突直径，证实含大货物（如线粒体、自噬体）的轴突段直径显著大于无货物区（347 nm vs. 259 nm）。
- 膜变形分析：双色SIM显示，货物通过时质膜（CellMask标记）和下方F-肌动蛋白环同步扩张，扩张幅度与货物尺寸正相关。
3. NM-II调控径向收缩性的机制
- 药物干预：
- 使用blebbistatin（NM-II ATP酶抑制剂）或ML-7（肌球蛋白轻链激酶抑制剂）短期处理神经元，导致轴突直径扩张（SIM显示F-肌动蛋白环间距不变但直径增加）。
- Calyculin A（MRLC磷酸化激活剂）处理未引起直径变化，提示NM-II在基础状态下已高度激活。
- 分子定位：
- 三色SIM显示NM-II头部域（αNM-II(NT)）与F-肌动蛋白环共定位，而杆状域（αNM-II(CT)）分布离散，表明NM-II通过头部域与MPSs结合。
- Triton X-100提取实验证实NM-II与MPSs的依赖性关联。
4. 长期NM-II抑制的病理效应
- 基因干预：
- siRNA敲低NM-II或转染MRLC失活突变体（S19A/T18A）导致轴突局部肿胀（focal axonal swellings, FAS），伴随F-肌动蛋白环解体。
- 活体成像显示FAS内货物积累，提示运输效率受损。
主要结果
- 尺寸依赖性运输阻力：大货物（>0.5 μm）的运输速度显著低于小货物（CTB载体：0.83 μm/s vs. 1.44 μm/s），且瞬时扩张后轴突通过NM-II介导的收缩性快速恢复原始直径。
- NM-II的动态调控：
- 短期抑制NM-II增加轴突直径，提升大货物速度但降低运输方向性（方向交换比增加）。
- 长期抑制导致MPSs破坏和FAS形成，模拟神经退行性病变特征。
- 结构-功能关联：NM-II通过周期性结合F-肌动蛋白环维持轴突张力，限制无效的货物往复运动，从而优化长距离运输效率。
结论与意义
科学价值
1. 首次揭示轴突径向收缩性是调控货物运输效率的关键机械力因素，提出“收缩性-直径-摩擦阻力”动态平衡模型。
2. 阐明NM-II与MPSs的分子互作机制，为神经退行性疾病中轴突病变提供新解释（如FAS的形成）。
应用潜力
靶向NM-II活性的药物可能用于调节轴突运输，或为阿尔茨海默病、创伤性脑损伤等提供干预策略。
研究亮点
- 技术创新：结合超分辨SIM、微流控和EM多尺度成像，首次活体观测轴突瞬时扩张与收缩的动态过程。
- 理论突破：发现NM-II的周期性分布是轴突机械稳定性的结构基础，填补了MPSs功能研究的空白。
- 跨学科意义：融合细胞生物学、生物物理学和神经科学，为“机械感知-细胞骨架响应”研究提供范式。
其他发现
研究还提示，神经元可能通过调节NM-II活性适应不同尺寸货物的运输需求，这一机制或广泛存在于其他极化细胞（如突触小泡运输）。