胚胎运动神经元程序因子在出生后运动神经元中重新激活未成熟基因表达并抑制ALS病理

2025-11-27 Thu
一、学术背景与研究缘起运动神经元（Motor Neuron）退化性疾病如肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS），一直是神经科学的重要研究方向。ALS 以成年后发病为特征，患者运动神经元逐渐退化，导致瘫痪和死亡。在 ALS 等疾病中，年龄增加被认为是主要的风险因素，但导致成熟运动神经元易感于病理损伤、而年轻运动神经元能够抵御这些损伤的分子机制，至今仍未明了。既往研究已知，随着运动神经元的成熟，其基因表达和染色质结构发生了剧烈变化，约有7000个基因表达水平、10万个染色质开放区域在成熟过程中较大幅度改变。
研究团队关注到，在胚胎期，运动神经元具有较强的抗逆性和再生能力，这种抗逆性在后期逐渐丧失。他们提出一个重要假设：如果让成熟的运动神经元重新表达胚胎期的“主控转录因子”（Selector Transcription Factors），如Isl1和Lhx3，能否恢复神经元的活力，延缓或阻断ALS病理过程？Isl1和Lhx3在胚胎运动神经元的生成和分化过程中起核心作用，但会在出生后逐渐降低表达。
本项研究试图解决：通过让成熟神经元重新表达胚胎期核心转录因子，能否恢复年轻基因表达状态，从而减轻或阻止ALS小鼠模型中的病理损伤？这一策略不仅涉及基础科学，也蕴含着针对ALS等神经退行性疾病的新型治疗思想。
二、论文来源及作者信息该论文题为“Embryonic motor neuron programming factors reactivate immature gene expression and suppress ALS pathologies in postnatal motor neurons”，发表在《nature neuroscience》（Nature Neuroscience）2025年10月第28卷（2044–2053页）。主要作者包括 Emily R. Lowry, Tulsi Patel, Jonathon A. Costa, Elizabeth Chang 等人，团队主要隶属于 Columbia University Irving Medical Center（美国哥伦比亚大学欧文医学中心），部分作者现就职于 Rutgers University Robert Wood Johnson Medical School。该工作获得了多位团队成员的平等贡献，是哥伦比亚大学多学科协作的成果。
三、研究流程与技术创新1. 总体流程概述研究分为以下主要部分：
构建和验证运动神经元特异表达的病毒工具；
在ALS小鼠模型中重表达Isl1和Lhx3；
进行单核多组学测序分析（multiome RNA与ATAC-seq），解析基因表达和染色质结构变化；
评估关键病理标志物（如SQSTM1圆体、SOD1病理结构）与行为学症状；
验证长远对运动神经元保护作用；
开展分子与组织水平功能验证。
2. 运动神经元特异的AAV表达系统构建团队基于已知运动神经元表达谷氨酰胆碱转移酶（Choline Acetyltransferase, CHAT），利用CHAT基因上游3kb的“chAT enhancer”（CHAT增强子，原文chate），筛选并验证其在运动神经元成熟过程中的染色质开放性与转录特异性。在初步实验中，研究者将chate序列克隆到AAV载体中，并驱动mCherry表达，啮齿类新生鼠脑室注射后验证了mCherry在运动神经元中的高效、特异性表达。对比泛表达型启动子（如CAGGS驱动的GFP），chate驱动AAV只在运动神经元表达，无杂散到其他胆碱能细胞。
3. 重表达Isl1与Lhx3于ALS小鼠模型研究采用肌萎缩侧索硬化症经典动物模型：SOD1^G93A转基因小鼠。新生小鼠（P1）脑室内注射AAV携带人源Isl1与Lhx3，在不同病毒滴度下追踪运动神经元表达转录因子的效率与稳定性。高滴度条件下，绝大多数运动神经元成功重表达Isl1或Lhx3，并在之后数周间能维持表达。
4. 单核多组学分析：基因表达与染色质结构团队利用CHAT-Cre/SUN1-GFP报告小鼠，通过细胞核分选，结合10x多组学平台进行单核RNA测序（snRNA-seq）与单核ATAC-seq，同时获取转录组与染色质开放信息。为区分病毒表达的Isl1/Lhx3，构建包括病毒元件（如human Isl1、Lhx3、chimeric intron、WPRE）的定制参考基因组。对采集于治疗后P21的运动神经元样品，用标准分析流程进行聚类鉴定与表达特征解析。
5. 数据处理与算法创新主要采用Seurat和Signac包进行数据处理，CCA（Canonical Correlation Analysis；典型相关分析）实现多组学数据融合与聚类。通过OMICS数据，解析运动神经元亚型（Alpha, Gamma, Type 3），及病毒驱动基因表达在不同亚型间的变化。
6. 组织学病理与行为学检测团队对ALS模型小鼠，分别在P45（病变早期）、P75（进展期）、P120（晚期）进行脊髓组织采集，免疫染色检测关键病理标志物：“SQSTM1圆体”、SOD1异常结构等，同时行为学跟踪临床症状如细微后肢震颤、生存期等。
四、主要研究结果详解1. Isl1和Lhx3重表达可逆转部分运动神经元至幼稚状态在AAV–Isl1+AAV–Lhx3组动物中，队列分析显示约半数运动神经元的特异标志物MNX1（胚胎期运动神经元高表达）得以重新激活。对比对照组，MNX1表达几乎为零，说明Isl1与Lhx3重表达能确实重启胚胎期基因表达程序。
进一步单核测序发现，在Alpha与Type 3运动神经元亚型中，病毒表达群体形成独立于对照组的新聚类（‘Alpha prime’, ‘Type 3 prime’），并在多组学数据中动态追踪到基因表达及染色质开放区域显著变化。其中，染色质开放与调控元件富集于Lhx3结合位点（Homeodomain motif），提示这两因子不仅直接启动目标基因，也改变染色质状态，有助于全局“年轻化”基因表达。
2. 运动神经元亚型间的影响具有高度选择性尽管Isl1和Lhx3可在所有三大运动神经元亚型表达，真实基因表达改变仅在Alpha与Type 3亚型明显。Gamma运动神经元变化甚微，说明不同亚型对主控转录因子的反应性截然不同，机制可能涉及先天染色质可及性或内源性调控因子不同。
3. 童稚化基因表达改善神经元应对ALS病理在SOD1^G93A模型中，最早出现的病理标志是SQSTM1圆体形成，关联蛋白降解系统功能失调。病毒重表达Isl1和Lhx3后，圆体形成显著减少（高滴度时超过80%的转基因表达运动神经元可清除该病理），并且对运动神经元的数量不造成影响。
随着疾病进展，SOD1病理结构不断累积，但Isl1和Lhx3表达可显著降低其发生频率。具体测定表明，细胞中病理SOD1+结构在P75时降至对照组的三分之一，且转录组/蛋白表达数据表明该作用是缓解损伤而非因基因下调所致。
4. 行为学症状延迟及运动神经元存活改善低滴度实验条件下，仅20%运动神经元表达转基因，行为学分析发现后肢细微震颤症状发作显著推迟（雌性由P90推至P105），但生存期未延长。高滴度组，运动神经元存活数量在P120时有显著提升，其中Isl1和Lhx3共表达的细胞比例出乎意料地维持或提高，说明这一童稚化处理可为神经元提供长期保护。
此外，团队证实高滴度AAV下，Isl1 – Lhx3表达关系与病理保护相关，部分机制与转录因子自身的表达稳定性与细胞选择性作用相关。
五、研究结论与科学价值团队综合实验证据，首次证实成熟运动神经元异时重表达胚胎期主控转录因子，能通过“转录童稚化”产生细胞亚型特异的基因表达变化，成功减轻ALS模型小鼠的早期和晚期病理损伤，延缓行为症状发生，并改善神经元存活。这一策略区别于传统细胞重编程方法（如泛用多能性因子驱动），而是针对有易感性的细胞类型实施定向童稚化，实现精准治疗思路。
科学价值上，本研究揭示了运动神经元成熟过程中基因组学变化与病理易感性的关系，为探索细胞类型选择性干预提供了理论基础。应用价值层面，该研究为ALS等成人发病神经退行性疾病开拓了可能的干预通道——通过病毒传递，自体调控因子定向恢复细胞逆境应对能力，未来有望发展出创新的基因治疗方法。
六、研究亮点与创新性细胞类型精准重编程：区别于传统泛化重编程，本研究通过运动神经元特异增强子驱动，精准激活主控转录因子，提升了细胞层面的专一性和安全性。
多组学技术应用：融合单核RNA & ATAC-seq等多组学平台，立体揭示基因表达与染色质开放的协同变化，为理解细胞命运决定提供了多维证据。
亚型选择性作用与机制探讨：发现并解析了不同运动神经元亚型对转录因子的不同响应，揭示了细胞内部易感性的分子基础，对于理解ALS的选择性退化机制意义重大。
疾病模型验证：在ALS动物模型多阶段持续追踪，结合分子、细胞、组织、行为层面工资，为临床应用转化奠定了可靠基础。
七、其他重要信息本研究还涉及潜在的实际操作问题，如转录因子的表达稳定性、病毒滴度调整对于疾病保护效果的影响等建议。团队指出后续需完善提升表达持久性和探索病损晚期干预是否仍有效。研究中也提出了一些开放问题，比如通过调节运动神经元兴奋性改善蛋白稳态的可能机制，以及单一或复合因子的组合安排。
八、结论及展望本项研究以创新性的细胞童稚化策略，精确激活运动神经元自体保护程序，有效减轻ALS相关病理，为神经退行性疾病治疗带来了极具潜力的新方向。未来，可进一步研究该策略在其他相关疾病中的适用性和安全性，推动精准个性化医疗进步。