TUSC3通过调控内质网镁稳态维持突触功能与神经发育的新机制

《Nature Communications》：TUSC3 regulates ERMA-mediated Mg2+ uptake for synaptic function and neurodevelopment

本研究针对TUSC3基因突变导致智力障碍的分子机制不明问题，揭示了TUSC3与ERMA形成内质网镁转运复合体，其缺失会引起ER Mg2+耗竭、PERK-eIF2α通路激活和突触蛋白合成抑制，而镁补充剂能逆转这些异常，为TUSC3相关智力障碍提供了新的治疗策略。

　　

智力障碍（ID）是一种常见的神经发育障碍，全球患病率约为1%-2%，表现为认知功能和适应行为受损。尽管许多基因突变与ID相关，但针对特定基因缺陷的治疗策略仍然有限。肿瘤抑制候选基因3（TUSC3）已被发现与常染色体隐性遗传智力障碍（ARID）相关，然而其具体的分子机制及治疗潜力尚不明确。传统观点认为TUSC3主要参与内质网（ER）中的N-糖基化过程，但近期研究表明它可能在维持细胞镁离子（Mg²⁺）稳态中发挥作用。镁离子作为多种酶促反应的辅因子，对神经元功能至关重要，尤其是内质网中的镁离子水平对ATP稳定、分子伴侣活性和蛋白质折叠过程具有重要影响。尽管有研究表明低镁条件会诱发内质网应激，但ER Mg²⁺稳态与认知功能障碍之间的直接联系仍有待阐明。

为了解决这一科学问题，首尔国立大学的Yong-Keun Jung团队在《Nature Communications》上发表了题为"TUSC3 regulates ERMA-mediated Mg uptake for synaptic function and neurodevelopment"的研究论文。该研究通过构建TUSC3基因敲除（KO）小鼠模型，结合患者来源的成纤维细胞，系统阐述了TUSC3缺陷如何通过破坏ER Mg²⁺稳态导致神经元功能障碍和行为异常，并验证了镁补充的治疗潜力。

研究人员运用了多种关键技术方法：通过CRISPR-Cas9技术构建TUSC3 KO小鼠模型评估神经行为学表现；使用Mag-FRETER镁离子传感器实时监测ER Mg²⁺动力学；采用免疫共沉淀（co-IP）和蛋白质印迹分析蛋白相互作用及表达；通过表面传感翻译（SUnSET） assay评估全局蛋白翻译效率；利用电生理记录分析突触传递功能；并纳入TUSC3突变ARID患者来源的成纤维细胞进行验证。

TUSC3是多种细胞类型中ER Mg²⁺摄取所必需的，包括ARID患者来源的成纤维细胞

研究人员首先排除了TUSC3通过N-糖基化途径参与ARID的可能性，发现TUSC3缺失并不影响关键镁离子转运蛋白CNNM3的糖基化状态。通过使用ER靶向的Mg²⁺传感器Mag-FRETER，团队发现TUSC3缺陷细胞在L-乳酸刺激后，ER Mg²⁺释放正常，但再摄取过程显著受损。这一现象在SH-SY5Y细胞、患者来源的成纤维细胞（ID-fibroblasts）及小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）等多种细胞类型中均得到验证，表明TUSC3在维持ER Mg²⁺稳态中具有保守且关键的作用。

镁补充恢复TUSC3缺陷细胞中的ER Mg²⁺水平

尽管TUSC3缺陷细胞的基础ER Mg²⁺水平显著降低，但急性MgCl₂处理（10 mM，200秒）能够使ER Mg²⁺水平迅速恢复，尽管摄取速率较慢。类似地，在TUSC3 KO原代皮层神经元和ID患者成纤维细胞中，MgCl₂处理也能部分恢复ER Mg²⁺水平，表明高浓度镁补充可以有效挽救TUSC3缺陷引起的ER Mg²⁺失衡。

TUSC3与ERMA相互作用调节ER Mg²⁺摄取

研究团队发现TUSC3与内质网镁转运蛋白ERMA（ER magnesium transporter A）存在相互作用。免疫共沉淀实验证实了内源性TUSC3和ERMA在小鼠脑组织中的结合。通过构建TUSC3缺失突变体，他们确定TM1结构域是TUSC3与ERMA相互作用的关键区域。功能实验表明，过表达ERMA能增强对照细胞的Mg²⁺摄取，但在TUSC3敲低细胞中这种增强效应被削弱，且TM1结构域缺失的TUSC3突变体无法恢复ER Mg²⁺摄取功能。

TUSC3缺陷通过Mg²⁺失调引发ER应激、翻译损伤和细胞死亡

TUSC3 KO小鼠的海马体和纹状体中，ER应激标志物GRP78/BiP显著上调，PERK-eIF2α通路被特异性激活，表现为p-eIF2α和CHOP水平增加，而IRE1-XBP1s和ATF6分支受影响较小。同时，与学习记忆密切相关的CREB活性及其上游调控因子PI3K/AKT信号均降低。SUnSET assay显示TUSC3缺陷细胞的全局蛋白翻译显著受损，而慢性镁补充（镁-L-苏糖酸盐，MgT）能够恢复蛋白翻译并降低p-eIF2α水平。TUSC3缺陷细胞对ER应激诱导剂（如衣霉素、毒胡萝卜素）更加敏感，镁处理或ER应激缓解剂4-苯基丁酸（4-PBA）能减轻细胞死亡并恢复突触蛋白水平。

TUSC3 KO小鼠表现出胚胎发育异常

TUSC3 KO小鼠存在胚胎致死现象，纯合子后代比例显著偏离孟德尔遗传规律，存活个体表现出持续的生长缺陷，表明TUSC3对正常胚胎发育至关重要。

TUSC3 KO小鼠表现出智力障碍表型

行为学测试显示，TUSC3 KO小鼠在Y迷宫、新物体识别（NOR）和被动回避测试中表现出显著的学习记忆缺陷。在强迫游泳测试（FST）和悬尾测试（TST）中，KO小鼠的静止时间减少，表明应激应对能力受损。三室社交测试中，KO小鼠与陌生小鼠的互动时间减少，缺乏社交新颖性偏好，表现出社交行为异常。此外，KO小鼠在开放场测试中表现出多动行为。

TUSC3 KO小鼠突触结构和可塑性受损

Western blot分析显示TUSC3 KO小鼠脑中PSD-93、PSD-95和GluA1等突触蛋白水平降低，CREB磷酸化水平下降。免疫组织化学显示海马CA1区和纹状体中突触素（synaptophysin）和GluA1表达减少。Sholl分析和树突棘密度计数发现KO神经元树突分支和脊柱密度显著降低。电生理记录显示海马CA1神经元自发性兴奋性突触后电流（sEPSC）振幅增加，而诱发性EPSC（eEPSC）振幅降低，FM1-43染料卸载实验提示持续去极化条件下突触小泡释放延迟。相反，神经肌肉接头（NMJ）的突触传递功能正常，表明TUSC3缺失主要影响中枢神经系统的突触功能。

镁补充改善TUSC3缺陷引起的智力障碍症状

慢性MgT补充（910 mg/kg/天，4周）能显著改善成年TUSC3 KO小鼠的认知缺陷、应激应对能力和社交行为。在分子水平上，MgT处理恢复了海马和纹状体中突触蛋白水平、CREB活性和GRP78表达。预防性MgT治疗（从4周龄开始）也能阻止行为表型的出现，并恢复突触蛋白和CREB活性。值得注意的是，MgT对前额叶皮层的分子指标影响较小，表明其对海马和纹状体具有区域特异性保护作用。

该研究建立了TUSC3-ERMA模块作为ER定位的Mg²⁺转运系统的关键组成部分，连接了细胞内离子平衡与突触完整性。研究发现TUSC3缺陷引起的ER Mg²⁺失衡会通过PERK-eIF2α轴引发慢性ER应激，特异性抑制突触蛋白合成，导致突触功能障碍和行为异常。值得注意的是，镁补充治疗能够恢复ER Mg²⁺稳态，缓解ER应激，挽救突触和认知表型。

这一发现不仅阐明了TUSC3相关ID的分子机制，更重要的是提出了靶向ER Mg²⁺稳态的治疗策略。考虑到镁离子失衡与自闭症谱系障碍（ASD）、注意缺陷多动障碍（ADHD）等多种神经发育障碍的关联，恢复ER Mg²⁺稳态可能成为更广泛的神经发育疾病的治疗方向。尽管将镁补充应用于临床仍需考虑剂量和长期安全性问题，但本研究为开发针对神经发育障碍的新型治疗方法提供了重要的理论依据和实验证据。