撰文︱陈 徐
责编︱王思珍
神经发生（neurogenesis）是指神经系统特定区域产生新生功能神经元的过程，成年神经发生在大脑修复、嗅觉行为和行为表现中起着关键作用【1】。在正常生理状态下，成年个体的神经发生主要聚焦于海马的齿状回颗粒区，该区域终身维持活跃的神经发生潜能，这种特性也被认为是维持海马记忆及认知的重要原因之一【2】。而在疾病生理状态下，神经发生过程的紊乱也被认为是影响神经系统疾病发生和预后不良的关键因素【3】。目前对成体的神经发生的机制及调控却所知甚少，因此，深入研究成体神经发生的分子机制将为神经发生阻滞相关疾病提供新的药用靶点。
SUMO化修饰（SUMOylation）是指在真核生物中与泛素化修饰相似且功能互补的一类蛋白质翻译后修饰类型，而作为一类重要的去SUMO化修饰酶，对维持细胞内SUMO修饰稳态至关重要【4】。基因的全身性敲除小鼠表现为胚胎致死，其机制是通过调节多梳蛋白PcG转录活性，进而影响胚胎早期的心脏发育【5】，同时，与调节肌生长抑制素介导的肌生成过程密切相关【6】。此外，基因缺陷小鼠表现为癫痫猝死表型，表明基因可以调控中枢神经系统的功能【7-9】。为了深入探究基因在神经元功能维持及神经发生过程中所扮演的重要角色，我们通过对基因缺陷小鼠海马组织的神经元类型进行深入探究，旨在为深入探索基因调控神经发生的分子机制提供研究基础，同时有望为SUMO化修饰调控神经发生提供新的生物学依据，进而为临床治疗神经发生紊乱提供新的药用靶点和理论前提。
钙稳态（calcium homeostasis）是维持神经系统正常生理功能的重要基础，神经元钙稳态的稳态失衡也会导致多种细胞生理过程的紊乱，包括转录因子功能失调、细胞周期失衡以及细胞免疫应答阻滞等，进而引起包括神经发育缺陷、神经元分化紊乱以及神经退行性病变等多种疾病发生【10】。因此，从不同层面深入探究钙通道对钙稳态的调控也是钙信号相关研究乃至脑科学和神经生物学邻域亟待解决的基础性课题。
2021年8月31日，陕西师范大学生命科学学院的齐以涛和吴宏梅团队以及美国阿肯色大学的Edward Yeh团队合作在《细胞死亡与分化》（Cell Death and Differentiation）上在线发表了题为“”的研究论文。该论文指出蛋白作为一类重要的去SUMO化修饰蛋白酶，不仅对小鼠胚胎发育和神经元的电生理功能具有重要的调控作用，还能维持小鼠海马神经元的数量稳态，并通过-PLCβ4信号轴精密调控成年小鼠海马齿状回颗粒区的神经发生过程。
研究团队首先对实验室构建的基因缺陷小鼠（）的海马齿状回颗粒区进行了高尔基染色，发现与野生型小鼠相比，4-6周龄的缺陷小鼠出现显著的海马神经元丢失表型，同时伴随着胶质细胞数量增加和胶质活化的现象（图1A）。为了深入探究在神经元功能维持及神经发生过程中所扮演的重要角色，研究团队首先通过对基因缺陷小鼠的海马神经元类型进行深入分析，同时联合体内神经干细胞的增殖检测，确定了基因缺陷诱导的神经元钙稳态失调是导致小鼠神经发生阻滞的主要原因（图1B）。
图1 | 缺陷通过影响神经元钙稳态进而引起神经发生阻滞
A. 缺陷引起小鼠海马成熟神经元显著丢失。
B. 缺陷导致胞浆-内质网钙稳态失调
其次，为了进一步探究背后的分子机制，课题组成员通过对小鼠神经干细胞以及体外构建的细胞系进行了一系列生化实验，确定了蛋白既可通过调控磷脂酶C亚型β4（PLCβ4）的泛素化降解影响其稳定性（图2A-2D），又可以影响PLCβ4蛋白的核转运，共同调控PLCβ蛋白的活性，进而影响神经元内质网钙稳态，最终调控神经干细胞的自我更新（图2E）。有趣的是，该研究在进一步探索中还发现，氧化应激能通过-PLCβ4信号轴调控神经元的钙稳态进程。
图2 | SUMO化修饰调控PLCβ4的稳定性及亚细胞定位
A. PLCβ4与SUMO化修饰关键调控因子存在共定位。
B. PLCβ4存在三个SUMO化修饰位点。
C. -PLCβ4信号轴调控神经元内质网钙通道的表达。
D. 调控PLCβ4的表达依赖其去SUMO化修饰酶活。E. SUMO化修饰调控PLCβ4亚细胞定位
图3 | -PLCβ4信号轴调控小鼠海马神经发生
A. 缺陷导致小鼠海马神经发生阻滞。
B. -PLCβ4信号轴调控小鼠海马神经发生的模式图
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该研究得出以下五点结论：1. 基因缺陷可影响小鼠海马神经干细胞自我更新进而导致小鼠神经发生阻滞。2. 蛋白通过影响PLCβ4蛋白活性，宏观调控内质网钙通道，进而影响胞浆-内质网钙稳态。3. PLCβ4蛋白可在多个位点被SUMO化修饰，这些SUMO化修饰可调控PLCβ4蛋白的核运输，通过泛素-蛋白酶体途径介导其降解。4. PLCβ4蛋白的SUMO化修饰可引起细胞内钙稳态失衡，并最终影响正常的神经发生生理进程。5. -PLCβ4轴可通过调节钙稳态来保护细胞免受氧化应激的影响。综上所述，该研究揭示了蛋白在调节PLCβ4蛋白去SUMO化修饰中的关键作用，确定了-PLCβ4轴在通过钙动态平衡调节神经发生中的重要功能，对维持神经干细胞自我更新动态平衡具有广泛的意义。但是我们的研究还有一定的局限性，我们仅仅聚焦于基因缺陷的小鼠模型，同时还缺乏一些在体实验研究和临床层面的探究。
总而言之，该研究证明了PLCβ4蛋白的SUMO化修饰在氧化应激的压力下通过钙动态平衡调节神经发生的新作用。在基因缺陷小鼠中，PLCβ4蛋白被高度SUMO化，从而促进其从膜和细胞质向核的转运并随后降解。过度SUMO化修饰的PLCβ4蛋白可诱导细胞内钙稳态的损害，并最终损害神经发生和神经元存活，这是一种从蛋白翻译后修饰层面对GPCR信号通路调节的新作用（图3A）。该研究还从蛋白质翻译后修饰层面深入探究了-PLCβ4信号轴对神经元钙稳态的调控作用，平衡PLCβ4的SUMO化修饰将是一种成体神经发生缺陷引起的神经系统疾病的新型干预措施（图3B）【11】。
通讯作者：齐以涛教授（左八），吴宏梅副教授（左九）；第一作者：博士生陈徐（左七）。
（图片来源：齐以涛教授实验室）
齐以涛课题组的陈徐博士为论文的第一作者，齐以涛教授、吴宏梅副教授以及美国阿肯色大学的Edward Yeh教授为论文的共同通讯作者。上海交通大学医学院的程金科教授为该研究提供了宝贵意见和大力帮助，陕西师范大学生命科学学院的李星教授和田英芳教授也为该研究提供了帮助。
【1】Moreno-Jimenez EP, Flor-Garcia M, Terreros-Roncal J, Rabano A, Cafini F, PallasBazarra N, et al. Adult hippocampal neurogenesis is abundant in neurologically healthy subjects and drops sharply in patients with Alzheimer’s disease. Nat Med. 2019;25:554–60.
【2】Bond, A.M., Ming, G.L. & Song, H. Adult Mammalian Neural Stem Cells and Neurogenesis: Five Decades Later. Cell stem cell 17, 385-395 (2015).
【3】Anacker, C. & Hen, R. Adult hippocampal neurogenesis and cognitive flexibility - linking memory and mood. Nature reviews. Neuroscience 18, 335-346 (2017).
【4】 Chang, H.M. & Yeh, E.T.H. SUMO: From Bench to Bedside. Physiological reviews 100, 1599-1619 (2020).
【5】Kang, X. et al. SUMO-specific protease 2 is essential for suppression of polycomb group protein-mediated gene silencing during embryonic development. Molecular cell 38, 191-201 (2010).
【6】Qi, Y., Zuo, Y., Yeh, E.T. & Cheng, J. An essential role of small ubiquitin-like modifier (SUMO)-specific Protease 2 in myostatin expression and myogenesis. The Journal of biological chemistry 289, 3288-3293 (2014).
【7】Qi, Y. et al. Hyper-SUMOylation of the Kv7 potassium channel diminishes the M-current leading to seizures and sudden death. Neuron 83, 1159-1171 (2014).
【8】Wu, H., Chen, X., Cheng, J. & Qi, Y. SUMOylation and Potassium Channels: Links to Epilepsy and Sudden Death. Advances in protein chemistry and structural biology 103, 295-321 (2016).
【9】Chen, X. et al. Hyper-SUMOylation of K(+) Channels in Sudden Unexplained Death in Epilepsy: Isolation and Primary Culture of Dissociated Hippocampal Neurons from Newborn Mice for Subcellular Localization. Methods in molecular biology 1684, 63-71 (2018).
【10】Berridge, M.J., Bootman, M.D. & Roderick, H.L. Calcium signalling: dynamics, homeostasis and remodelling. Nature reviews. Molecular cell biology 4, 517-529 (2003).
【11】Chen, X. et al. -PLCβ4 signaling regulates neurogenesis through the maintenance of calcium homeostasis. Cell Death & Differentiation (2021).
制版︱王思珍
本文转载自逻辑神经科学
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