Sox11过表达在成熟皮质脊髓束神经元中重建胚胎期促生长转录程序

《Scientific Reports》：Sox11 overexpression restores embryonic pro-growth transcription in mature corticospinal tract neurons

本研究聚焦于中枢神经系统神经元成熟后再生能力丧失这一关键难题。研究人员通过单核RNA测序技术，发现转录因子Sox11能够在成熟皮质脊髓束神经元中大规模逆转发育相关的转录程序，重新激活胚胎期促轴突生长的基因网络，同时抑制与突触功能相关的基因表达。这一效应在慢性损伤状态下依然稳定存在，为促进神经再生提供了新的转录调控策略。

　　

在中枢神经系统发育过程中，神经元在胚胎期表现出强大的轴突生长能力，但随着成熟过程的推进，这种再生能力会显著下降。这种发育与再生之间的权衡关系在哺乳动物中枢神经系统中表现得尤为突出——成熟神经元在轴突损伤后往往难以实现有效再生。神经元成熟是一个多阶段的过程，包括神经发生、迁移、轴突延伸、树突分支形成和突触成熟等环节。其中，从轴突延伸向分支形成和突触成熟的转变阶段特别值得关注，因为这一转变似乎与长距离再生轴突生长能力的显著下降密切相关。

转录因子Sox11在这一过程中扮演着关键角色。发育过程中，Sox11在轴突延伸阶段广泛表达于中枢和周围神经系统神经元中，但在出生后随着神经元向突触发生阶段转变而急剧下调。尽管先前研究已发现Sox11与损伤引发的再生反应有关，但尚不清楚Sox11是否能够在稳定的内环境条件下诱导再生相关基因表达，或者触发胚胎期基因程序的重新激活。这一问题对于研究那些对轴突损伤反应较弱或处于慢性损伤状态的神经元尤为重要。

为了解决这一问题，研究人员在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，通过单核RNA测序技术深入探究了Sox11过表达对成熟皮质脊髓束神经元转录组的调控作用。

研究采用的主要技术方法包括：通过AAV2-Retro病毒载体实现皮质脊髓束神经元的逆行标记和Sox11的过表达；利用单核RNA测序技术分析基因表达变化；通过荧光原位杂交和免疫组织化学进行验证；使用生物信息学方法进行差异表达分析、基因富集分析和蛋白互作网络分析；建立小鼠脊髓挫伤模型模拟慢性损伤状态。

Sox11过表达对CST转录的影响

研究人员通过单核测序技术系统分析了Sox11过表达对成熟皮质脊髓束神经元转录组的时程影响。实验设计巧妙，通过在四个不同时间点（1、2、4、6周）使用独特分子条形码标记Sox11处理的神经元，使得能够同时分析时间动态和稳定性。UMAP聚类分析显示，Sox11处理的细胞核与对照组明显分离，而不同时间点的Sox11处理组则聚集在一起，表明Sox11诱导了一种独特且稳定的转录状态。

差异表达分析发现，Sox11诱导的转录变化规模巨大且稳定。在表达Sox11一周后，即有788个转录本上调，473个下调；两周后变化更为显著，上调基因达958个，下调基因达771个；四周和六周时保持相似水平。这些变化中包括多个与轴突生长相关的基因，如Dpysl3、Dpysl5、Tubb2b、Tubala、Marcksl1、Dcx和Ezh2等。基因本体富集分析显示，上调基因显著富集于神经元发育、轴突发育和细胞骨架组织等生物学过程，而下调基因则富集于突触功能和膜电位调节等过程。

Sox11在慢性损伤模型中对转录的影响

为了评估Sox11在更接近临床实际情况下的效果，研究人员在慢性脊髓损伤模型中测试了Sox11的转录调控能力。小鼠在接受颈椎挫伤四周后，在损伤部位上方注射AAV2-Retro-Sox11，两周后分析转录变化。值得注意的是，UMAP可视化显示细胞核按基因处理分组而非损伤状态分组，表明Sox11的效应在损伤状态下依然占主导地位。线性回归分析进一步证实，Sox11在损伤和未损伤皮质脊髓束神经元中触发的基因表达变化高度相关（R平方=0.7849），说明Sox11的转录调控能力在慢性损伤背景下仍然保持。

跨细胞类型的细胞骨架和轴突发育网络的保守激活

通过比较Sox11在不同细胞类型中的效应，研究人员发现了Sox11功能的保守性。与Sox11处理的视网膜神经节细胞相比，皮质脊髓束神经元中有95个上调基因重叠，显著高于随机预期，这些基因富集于神经元突起发育和轴突发育等相关功能。与过表达Sox11的表皮细胞比较，发现有204个共同上调基因，富集于细胞骨架和轴突发育相关术语。此外，Sox11上调基因与损伤后再生的小鼠背根神经节神经元和斑马鱼视网膜神经节细胞中的上调基因也存在显著重叠。这些结果表明，Sox11激活细胞骨架相关运动和轴突延伸相关转录本的功能在不同细胞类型甚至物种间是保守的。

Sox11部分重现胚胎样基因表达模式

研究人员通过比较胚胎期18天（E18）和成年皮质脊髓束神经元的转录组，深入分析了发育过程中的基因表达变化。研究发现，成年和胚胎神经元在UMAP图中明显分离，差异表达基因分析识别出1198个在胚胎核中更丰富的基因和1842个在成年核中更丰富的基因。基因本体分析显示，胚胎基因集富集于神经元发育和轴突发育等术语，而成年基因集则富集于膜电位调节和突触信号传导等过程。

引人注目的是，Sox11调控的基因与发育调控基因存在显著重叠。Sox11上调基因与胚胎差异表达基因有396个重叠（6.25倍富集），而Sox11下调基因与成年差异表达基因有469个重叠（5.89倍富集）。线性回归分析显示，Sox11诱导的折叠变化与E18期的差异表达呈强正相关（R平方=0.779）。这些结果表明，Sox11过表达能够在成年皮质脊髓束神经元中部分恢复胚胎期转录模式。

研究结论和讨论部分强调，Sox11能够大规模逆转神经元成熟过程中的关键转录转变，同时上调众多功能上与轴突生长相关的转录本，并抑制与突触功能和兴奋性相关的转录本。这种效应具有规模大、时间稳定等特点，即使在慢性损伤神经元中也能实现。研究结果揭示了Sox11在设定发育阶段间转录平衡中的核心作用，为连接发育生物学和损伤后促再生转录程序的再生策略提供了新方向。

值得注意的是，尽管Sox11对基因转录具有巨大影响，但先前研究中观察到的生长促进效果相对有限，这可能与损伤脊髓中的生长抑制信号有关，提示将Sox11与缓解细胞外抑制的策略相结合可能是未来的重要方向。此外，尽管Sox11强烈影响某些生长相关基因模块（特别是细胞骨架相关），但完全轴突延伸可能还需要其他细胞过程，这些过程可能不在Sox11调控范围内。

这项研究为理解Sox11在成年皮质脊髓束神经元中深刻改变转录模式的能力提供了详细见解，这种模式与先前具有生长能力的胚胎阶段有着显著相似性。更重要的是，Sox11在对轴突损伤通常只显示微弱反应的皮质脊髓束神经元和慢性损伤神经元中均表现出这种能力，突出了基于Sox11的刺激作为促再生分子策略中有影响力组成部分的潜力。