神经退行性疾病相关兴奋毒性NMDA受体信号通过转录组失调主要靶向Inhba、Homer1和Bdnf

《Communications Biology》：Inhba, Homer1 and Bdnf are major targets of transcriptomic dysregulation by neurodegenerative disease-associated excitotoxic NMDA receptor signaling

本研究揭示了兴奋性毒性信号通过抑制CREB和ERK/MAPK-ELK1/SRF通路，导致关键神经保护基因（如Inhba、Bdnf、Homer1）表达下调的分子机制，并在亨廷顿病模型小鼠中证实靶向esNMDAR信号可恢复基因表达，为神经退行性疾病治疗提供了新靶点。

　　

在大脑这个复杂的网络中，神经元之间的信息传递依赖于一种精妙的平衡机制。突触间的正常信号传递能够促进神经保护、可塑性以及记忆形成，而一旦这种平衡被打破，就可能引发一系列灾难性后果。近年来，科学家们逐渐认识到，一种名为NMDA受体（N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR）的蛋白质在其中扮演着关键角色。有趣的是，这种受体的作用具有"双面性"：当它位于突触内（sNMDAR）时，能够激活保护性基因表达；但当它位于突触外（esNMDAR）时，却会触发毒性信号，导致神经元损伤甚至死亡。

这种"善恶分明"的特性使得esNMDAR信号通路成为多种神经退行性疾病（如亨廷顿病、阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症）的共同病理机制。在这些疾病中，由于谷氨酸摄取功能障碍或其他病理因素，导致突触外的NMDA受体被过度激活，进而干扰正常的神经保护机制。然而，esNMDAR信号究竟如何影响神经元内基因表达的整体调控网络，以及这种干扰在神经退行性疾病发生发展中的具体作用，仍然是未解之谜。

为了解决这些问题，来自德国海德堡大学的研究团队在《Communications Biology》上发表了一项重要研究。他们通过系统的实验设计，首次全面揭示了esNMDAR信号对突触活动依赖性基因表达的广泛影响，并鉴定出Inhba、Homer1和Bdnf等关键基因是兴奋毒性信号的主要靶点。更重要的是，他们在亨廷顿病模型小鼠中证实，通过药物干预抑制esNMDAR信号，能够有效恢复这些基因的正常表达，为神经退行性疾病的治疗提供了新的思路。

在研究方法上，该研究主要运用了小鼠海马原代神经元培养、RNA测序（RNA-seq）转录组分析、实时定量PCR（RT-qPCR）、蛋白质免疫印迹（Western blot）以及亨廷顿病zQ175基因敲入小鼠模型等关键技术。这些方法的综合运用使得研究人员能够从多个层面深入探索esNMDAR信号对基因表达的调控机制。

结果

兴奋毒性特征对突触活动调节转录组的影响

研究人员首先建立了一套精密的实验系统，通过在原代海马神经元中诱导同步的突触活动，并施加不同的干预条件，来模拟神经退行性疾病中的兴奋毒性环境。他们发现，esNMDAR的激活会广泛扰乱活动响应性基因的表达，影响约三分之二的活性诱导转录组。其中，编码抑制素β-A（inhibin β-A）的Inhba基因表现出最显著的抑制，其表达水平在兴奋毒性条件下下降了78.1%。同时，脑源性神经营养因子（Bdnf）和突触支架蛋白Homer1的表达也受到严重抑制。

通过t-SNE分析和相关性研究，研究团队证实兴奋毒性信号对基因表达的干扰存在两种不同机制：一种是被动成分，即由于动作电位（AP）发放终止导致的基因诱导减弱；另一种是主动成分，即由esNMDAR信号直接触发的转录抑制。值得注意的是，在模拟轻度兴奋毒性的谷氨酸溢出（glutamate spillover）条件下，也观察到了类似的基因表达抑制模式，这表明即使在相对温和的病理条件下，esNMDAR信号也足以扰乱神经保护性基因表达程序。

选择性易受esNMDAR信号介导的转录关闭影响

研究人员进一步对受esNMDAR信号影响的基因进行了分类和分析。在1137个"晚期"上调的突触活动响应基因中，约半数受到主动关闭机制的显著影响，其中35%的基因不受简单AP发放终止的影响，表明esNMDAR信号对这些基因的抑制占主导地位。

基因本体（GO）分析显示，易受兴奋毒性esNMDAR信号关闭影响的活性诱导基因富含编码突触蛋白的基因，特别是那些在谷氨酸能突触中发挥功能的基因。主动关闭机制还影响了一系列核蛋白编码基因的诱导，而被被动关闭主要抑制序列特异性DNA结合转录因子或转录调节因子的活性依赖性上调。这些发现表明，兴奋毒性可能通过抑制关键转录调节因子的表达，同时减少突触蛋白编码基因的诱导，从而显著削弱神经元的适应性和突触可塑性。

ERK/MAPK-ELK1/SRF通路受兴奋毒性esNMDAR信号抑制

除了已知的CREB关闭机制外，研究团队发现esNMDAR信号还会抑制Ras/细胞外信号调节激酶（ERK）/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应。免疫印迹分析显示，在突触活动期间，esNMDAR刺激会显著降低ELK1（Ser 383）的磷酸化水平，而对ERK1/2（Thr 202/Tyr 204）的磷酸化也有明显抑制作用。

这些结果表明，esNMDAR信号能够同时沉默两条主要的突触-核信号通路：CREB依赖的转录和ELK1/血清反应因子（SRF）依赖的转录。这种双重抑制机制可能部分解释了为什么兴奋毒性条件会对神经保护性基因表达产生如此广泛而深刻的影响。

美金刚部分抑制兴奋毒性相关的Inhba和Bdnf关闭

在治疗探索方面，研究人员测试了NMDAR开放通道阻滞剂美金刚（memantine）对兴奋毒性诱导的基因表达失调的干预效果。低浓度（10μM）的美金刚能够在几乎不影响活动依赖性转录的情况下，有效防止神经元死亡，并部分或完全挽救由esNMDAR信号诱导的Inhba和Bdnf表达抑制。

值得注意的是，高浓度（100μM）的美金刚会强烈抑制活动依赖性基因表达，这强调了在临床应用中精确控制药物浓度的重要性。这些发现为美金刚在神经退行性疾病中的治疗应用提供了重要的实验依据。

抑制esNMDAR信号可恢复亨廷顿病小鼠模型中下调的活动响应基因的正常表达水平

最后，研究团队在亨廷顿病zQ175小鼠模型中验证了他们的发现。与野生型小鼠相比，zQ175小鼠纹状体中Inhba、Homer1和Bdnf的mRNA水平显著下调，而疾病标志物Ppp1r1b（DARPP-32）的表达也明显降低。令人鼓舞的是，经过两个月的口服给药治疗，无论是美金刚还是新型TwinF界面抑制剂FP802，都能够恢复这些基因的正常表达水平。

特别值得注意的是，FP802治疗还挽救了Ppp1r1b的表达下降，这表明靶向esNMDAR信号可能直接缓解亨廷顿病的疾病进展。这些体内实验结果为esNMDAR信号在神经退行性疾病中的作用提供了直接证据，并凸显了靶向这一通路治疗策略的潜力。

讨论与结论

本研究系统性地揭示了兴奋毒性esNMDAR信号对神经元活动依赖性基因表达的深远影响。研究发现，这种干扰不仅通过已知的CREB关闭机制，还涉及ERK/MAPK-ELK1/SRF信号轴的抑制，共同导致关键神经保护基因（如Inhba、Bdnf和Homer1）的表达下调。

特别值得关注的是Inhba的表达抑制可能形成的恶性循环：Inhba编码的抑制素β-A/激活素A（activin A）本身具有限制esNMDAR表面表达的作用，其表达下降可能导致esNMDAR活性进一步增强，从而放大有害信号并加剧神经元损伤。与此同时，Bdnf诱导的关闭会进一步削弱神经元抵抗兴奋毒性损伤的内在能力。

在神经退行性疾病的早期阶段，esNMDAR信号的有害效应可能仍被突触活动驱动的神经保护机制所抵消。然而，随着疾病进展，esNMDAR信号加剧并覆盖突触信号，导致参与突触功能和神经元存活的活性响应基因产物出现缺陷，最终导致神经网络连接异常和神经元死亡。

最重要的是，本研究证实了通过药物干预（如美金刚和FP802）抑制esNMDAR信号，能够有效恢复保护性基因表达，减缓疾病进展。这些发现不仅深化了我们对神经退行性疾病发病机制的理解，也为开发新的治疗策略提供了重要靶点。esNMDAR调节基因可能作为兴奋毒性应激和疾病进展的生物标志物，在多种兴奋毒性相关疾病中具有广泛的临床应用前景。