空間轉(zhuǎn)錄組助力揭示ALS成熟運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突局部的翻譯失調(diào)機(jī)制

題目：Axonal Eif5a hypusination controls local translation and mitigates defects in FUS-ALS
期刊：Nature neuroscience
IF：20
DOI：10.1038/s41593-025-02101-2

研究背景

肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）是一種以運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元進(jìn)行性退化為特征的致命神經(jīng)退行性疾病。大量研究表明，在疾病早期階段，軸突功能障礙往往先于神經(jīng)元胞體死亡發(fā)生，因此軸突被認(rèn)為是ALS病理進(jìn)程中最早受損的關(guān)鍵亞細(xì)胞區(qū)室。

運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突長(zhǎng)度極長(zhǎng)，其遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)及神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）的穩(wěn)態(tài)維持高度依賴局部蛋白合成。然而，成熟運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突是否能長(zhǎng)期保有系統(tǒng)性的翻譯能力，以及這一過程在ALS中如何被破壞，長(zhǎng)期以來缺乏直接的、定量的證據(jù)。

針對(duì)這一關(guān)鍵的機(jī)制空白，本研究利用GeoMx DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，對(duì)成年小鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突進(jìn)行直接解析，并利用10x Visium空間轉(zhuǎn)錄組在連續(xù)組織中加以驗(yàn)證，從而系統(tǒng)揭示了軸突局部翻譯失調(diào)的分子基礎(chǔ)。

研究方法

研究者構(gòu)建了以GeoMx DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)為核心的多層次空間分析框架，用于精準(zhǔn)解析神經(jīng)系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突的局部轉(zhuǎn)錄狀態(tài)。

研究首先對(duì)成年小鼠坐骨神經(jīng)切片進(jìn)行高精度ROI采樣，結(jié)合ChAT和NFH免疫熒光標(biāo)記，區(qū)分運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突與非運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突。在保持組織空間結(jié)構(gòu)完整的前提下，對(duì)軸突區(qū)域開展全轉(zhuǎn)錄組定量檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)軸突層面翻譯相關(guān)基因的直接比較。

隨后，作者利用10x Visium空間轉(zhuǎn)錄組對(duì)小鼠脊髓切片進(jìn)行分析，從連續(xù)空間尺度上對(duì)GeoMx DSP的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證。

此外，研究結(jié)合公共snRNA-seq數(shù)據(jù)集排除細(xì)胞組成差異的影響，并通過小鼠神經(jīng)活動(dòng)檢測(cè)和果蠅ALS模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)關(guān)鍵分子機(jī)制進(jìn)行了功能驗(yàn)證。

主要發(fā)現(xiàn)

1.GeoMx DSP揭示成熟軸突高度富集翻譯相關(guān)轉(zhuǎn)錄本

基于GeoMx DSP對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突的檢測(cè)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白基因（如Rpl4、Rpl15、Rps2等）以及多種翻譯相關(guān)基因（包括翻譯起始、延伸和終止因子）在軸突區(qū)域顯著富集。這一發(fā)現(xiàn)表明，成熟軸突并非僅在發(fā)育期或損傷修復(fù)狀態(tài)下才依賴局部蛋白合成，而是長(zhǎng)期維持活躍的翻譯能力。

軸突部位翻譯相關(guān)組件的高度定位

2.Visium驗(yàn)證翻譯相關(guān)mRNA沿軸突連續(xù)分布

結(jié)合小鼠脊髓的Visium數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)多種翻譯相關(guān)mRNA沿神經(jīng)纖維走向呈現(xiàn)連續(xù)分布，并與細(xì)胞核富集區(qū)域明顯區(qū)分。這一空間模式與GeoMx DSP在軸突ROI中檢測(cè)到的特征一致，從組織尺度上驗(yàn)證了翻譯相關(guān)轉(zhuǎn)錄本在軸突中的真實(shí)存在。

翻譯相關(guān)mRNA在脊髓中連續(xù)表達(dá)

3.FUS突變引發(fā)軸突特異性翻譯失衡

由于FUS突變已知會(huì)抑制軸突局部翻譯，研究者進(jìn)一步利用GeoMx DSP分析FUS突變小鼠（R521H模型）的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突轉(zhuǎn)錄組。結(jié)果顯示，翻譯相關(guān)基因異常主要局限于軸突，而胞體幾乎無變化；不同核糖體蛋白及翻譯因子在軸突中呈現(xiàn)失衡表達(dá)，提示翻譯異常源于翻譯相關(guān)組件組成的特異性重構(gòu)，而非整體抑制。

翻譯相關(guān)組件的特異性失調(diào)

4.軸突Eif5a低脲化缺陷可被spermidine逆轉(zhuǎn)

通過對(duì)軸突ROI的空間定量分析，研究發(fā)現(xiàn)FUS突變顯著降低了低脲化Eif5a（真核生物翻譯起始因子5A）及總Eif5a的水平。同時(shí)負(fù)責(zé)該低脲化最后一步的關(guān)鍵酶（Dohh）的mRNA在軸突中明顯下調(diào)，提示翻譯延伸與終止在軸突局部受特異性影響。

基于這一機(jī)制，研究進(jìn)一步嘗試軸突層面補(bǔ)充多胺（spermidine），結(jié)果顯示可有效恢復(fù)Eif5a低脲化并改善局部蛋白合成，同時(shí)緩解小鼠和果蠅模型中的神經(jīng)功能缺陷，為潛在ALS治療提供新思路。

軸突Eif5a低脲化恢復(fù)與功能改善

文章總結(jié)

本研究以GeoMx DSP空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)為核心，對(duì)ALS相關(guān)FUS突變模型中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突的局部翻譯狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)解析。同時(shí)結(jié)合10x Visium空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，從連續(xù)空間尺度確認(rèn)了翻譯相關(guān)轉(zhuǎn)錄本在軸突中的定位。結(jié)果顯示，ALS相關(guān)FUS突變并非簡(jiǎn)單抑制翻譯，而是通過影響軸突中Eif5a的活性狀態(tài)導(dǎo)致翻譯延伸環(huán)節(jié)受損。研究不僅加深了對(duì)ALS早期病理機(jī)制的理解，也展示了GeoMx DSP在復(fù)雜神經(jīng)組織亞區(qū)室分子解析中的價(jià)值，并為未來ALS的潛在干預(yù)策略提供了參考。