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本文聚焦神经元中 mRNA 定位及翻译，详细阐述了内吞溶酶体囊泡、线粒体、内质网（ER）等细胞器在其中的作用，揭示多细胞器协作对神经元功能的重要性，以及相关机制异常与神经疾病的关联，为神经领域研究提供新视角。
引言
大脑功能的实现依赖于神经元蛋白质组在时空上的精准调控。神经元通过将 mRNA 运输到神经突进行局部翻译，以此适应神经元远端区域蛋白质组的需求。mRNA 定位和局部翻译对于神经元的正常功能和维持至关重要，一旦这些过程失调，便可能引发神经系统疾病。如今，越来越多的研究表明，细胞器在树突和轴突中 mRNA 定位及局部翻译的调控中发挥着关键作用。本文将探讨细胞器介导 mRNA 定位的现有证据，并梳理相关未解决的问题。
神经元的正常发育和功能，需要蛋白质在不同神经元亚区室（如胞体、树突、轴突、生长锥、突触）进行严格的时空定位。为实现这一目标，神经元在一定程度上依赖于 mRNA 定位和局部蛋白质合成。大量研究显示，局部蛋白质合成对多种神经元功能的正常运行至关重要，是神经元存活的关键因素。事实上，局部翻译失调与多种神经系统疾病的发生密切相关。
在神经元亚区室中，已鉴定出数千种 mRNA，它们呈现出动态且不均匀的分布。这种不均匀分布可通过 mRNA 的主动运输来实现。mRNA 与 RNA 结合蛋白（RBPs）相互作用，形成无膜的核糖核蛋白（RNP）复合物或 RNA 颗粒。RBPs 能够通过 mRNA 3’非翻译区（UTR）中的特定序列或 “邮政编码”，将 mRNA 招募到这些颗粒中，从而调控 mRNA 的定位。此外，mRNA 的稳定性也会对其定位产生影响。RNA 颗粒的组成具有异质性，它们可以与马达蛋白结合，进而被运输到树突和轴突中。除了这种 “直接” 的 mRNA 运输方式，近期研究发现，多种膜结合细胞器可通过共运输的方式介导 mRNA 定位。
单细胞器介导的 mRNA 定位和翻译及其功能优势
内吞溶酶体囊泡介导的 mRNA 运输和翻译
近年来，越来越多的研究证实，mRNA 和 RBPs 会与内吞溶酶体系统的囊泡（如早期内体 [EEs]、晚期内体 [LEs] 和溶酶体）共同运输，进入神经元亚区室。内吞溶酶体还能为局部翻译提供平台。目前，内吞溶酶体介导 mRNA 定位的分子机制和调控方式正逐渐明晰。ANXA11 被确定为 LAMP1?内吞溶酶体与 RNA 颗粒之间的连接蛋白，而 Rab5 相关的 FERRY 复合物则可将部分 mRNA 连接到 EEs 上。不过，这些连接蛋白如何介导特定 RNA 颗粒的结合，以及是否存在这种特异性结合，仍有待进一步研究。多数研究发现，只有部分移动的 RNA 颗粒会与内吞溶酶体囊泡共运输，这表明这种结合可能是有条件的，会根据局部细胞需求进行调节。例如，ANXA11 与溶酶体的结合依赖于 Ca2?和磷脂水平，G3BP1 阳性 RNA 颗粒与脂质体的相互作用则同时依赖于 ANXA11 和 Ca2?。因此，内吞溶酶体钙通道（如 TRPML1）可通过局部释放 Ca2?，调节 ANXA11 的活性，进而影响 RBP/mRNA 的结合。此外，mRNA 与囊泡的结合还可能受 mRNA 翻译状态的影响。在 HeLa 细胞中的研究发现，多种编码内吞和细胞骨架蛋白的 mRNA，会以翻译依赖的方式与 EEA1?囊泡结合，且这种结合在七种不同的非神经元细胞系中均存在。后续还需深入探究在神经元中，mRNA 与内吞溶酶体的结合是如何受翻译状态以及内外源信号调节的，这对于理解 mRNA 释放和局部翻译的精准时空控制及特异性具有重要意义。
尽管内吞溶酶体在神经元 mRNA 定位中具有重要作用，但仍存在诸多疑问。一方面，不同研究使用了多种不同的标记蛋白（EEA1、Rab5、Rab6、Rab7、LAMP1、LAMP2A）来研究这种共运输现象，这引发了为何 mRNA 会与如此多种不同囊泡结合的疑问。即便部分标记蛋白可能存在于同一囊泡中，但推测某些囊泡的内在特性可能被用于实现对特定 mRNA 定位或翻译的时空控制，也有可能不同囊泡运输不同的 mRNA 子集。囊泡的选择及其运输特性可能决定了特定 mRNA/RBPs 的动态变化（反之亦然）。目前，虽然对运输特性的详细系统分析较少，但已有研究观察到 mRNA 在内吞溶酶体上既有顺向运输，也有逆向运输，且有研究发现，在 LAMP1?或 LysoTracker?囊泡上，mRNA/RBPs 的逆向运输更为明显，这可能与溶酶体的降解功能相关，为运输与 mRNA/RBPs 的清除和降解偶联提供了一种机制。另一方面，目前多数研究集中在轴突亚区室，虽然在树突中也观察到了共运输现象，但不同亚区室之间是否存在分子或功能差异尚不明确。为更深入了解内吞溶酶体介导的 mRNA 运输的功能耦合和特异性，需要进行更系统的研究，包括详细分析囊泡特性、精确绘制共运输的 mRNA 种类，以及明确它们靶向的神经元亚区室。
线粒体介导的 mRNA 运输和翻译
线粒体在轴突和树突中特定 mRNA 的定位和共运输过程中也发挥着作用。在神经突中，靠近线粒体的位置检测到了核糖体的存在。值得注意的是，与线粒体定位并共运输的 mRNA，通常是核编码的线粒体 mRNA。这些 mRNA 既可以直接与线粒体共运输，也可以通过内吞溶酶体介导的 mRNA 运输靶向到线粒体。相较于内吞溶酶体介导的 mRNA 运输，目前对于神经突中 mRNA 与线粒体结合的分子机制和调控了解较少。SYNJ2BP 被鉴定为一种线粒体 RBP，它能与神经元特异性的 SYNJ2a 蛋白结合，介导 Pink1 mRNA 在胞体和树突中靶向到线粒体。Pink1 mRNA 的结合表现出翻译依赖性。另一种 RBP，CLUH，可调节线粒体 mRNA 向轴突的定位，其作用可能是通过调节 mRNA 稳定性而非运输来实现。在非神经元细胞中，已鉴定出多种调节 mRNA 靶向线粒体和 / 或在线粒体上翻译的蛋白质，但它们在神经突中的作用尚未得到研究。
线粒体转录本的定位有助于其局部翻译，新合成的蛋白质可能会在共翻译过程中被导入线粒体，从而维持线粒体的功能。例如，Pink1 mRNA 在线粒体上的正确靶向和翻译，能够确保线粒体外膜上持续有新合成的 PINK1 蛋白供应，这是线粒体受损时，PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬途径有效激活的必要条件。此外，线粒体位于翻译位点，可能通过将需要消耗 ATP 的蛋白质合成过程直接定位到 ATP 来源附近，从而优化蛋白质的生产。还有研究发现，线粒体的分裂依赖于 FMRP?RNA 颗粒将 MFF mRNA 正确靶向到线粒体的中间区域。有趣的是，FMRP 与线粒体结合的持续时间在树突中比在轴突中更长，但目前尚不清楚线粒体上的 mRNA 运输或定位在其他亚区室是否存在特异性差异，以及这种差异与树突和轴突线粒体的形态或功能差异有何关联。
内质网介导的局部翻译
内质网（ER）的主要功能之一是支持蛋白质合成，但它在神经元 mRNA 定位和局部翻译中的作用却鲜少被研究。神经元中的 ER 具有分区分布的特点，ER 池似乎局限于胞体 - 树突区域，而轴突中仅含有 ER 小管。在树突中，已发现存在经典的粗面 ER 蛋白和局部翻译的证据，尤其是在分支点和突触处。在轴突中，也有越来越多的证据表明，在特定的轴突亚区，如分支点和生长锥，存在与 ER 结合的核糖体。研究发现，轴突 ER 小管参与局部蛋白质合成，这一过程由 ER 驻留蛋白 P180/RRBP1 促进，对神经元的正常发育具有重要作用。不过，目前对于其他 ER 蛋白是否参与支持局部蛋白质合成，以及 ER 在轴突和树突蛋白质合成中的分子机制和具体贡献仍不清楚。
ER 在调节神经元 mRNA 定位方面的作用也未得到充分研究。然而，近期在非神经元细胞中的多项研究表明，ER 能够与 RNA 颗粒相互作用。这些相互作用可能通过调节 RNA 颗粒的形成和大小，以及为 mRNA 交换提供平台，来决定 mRNA 是进行翻译还是储存。在神经元中，虽然目前尚不清楚 RNA 颗粒是否与 ER 接触，但这些研究提示了 ER - RNA 颗粒接触可能调节神经元 mRNA 定位和翻译的可能性。此外，近期两项研究报道，在树突和轴突中存在所谓的 ER 衍生的核糖体相关囊泡，尽管这些结构在神经突中的存在仍有待进一步证实，但它们可能为将核糖体运输到神经突以支持局部翻译提供了一种途径。
多细胞器介导的 mRNA 定位和局部翻译
过去二十年的研究充分表明，细胞器并非独立发挥作用，它们之间会频繁且动态地相互接触，以此调节自身的功能和形态。在神经元中也观察到了类似现象，线粒体、内吞溶酶体囊泡、ER 以及核糖体常常彼此靠近。这表明神经元 mRNA 定位和局部翻译可能是多个细胞器共同作用的结果，上述多项研究也为这一观点提供了证据。
内吞溶酶体介导 mRNA 向线粒体的定位
多项研究反复观察到，内吞溶酶体囊泡、线粒体与 mRNA 及局部翻译位点存在共定位现象。在视网膜神经节细胞（RGC）轴突中，翻译热点通常与 Rab7?囊泡和线粒体同时出现；在大鼠海马神经元中，装载在 FERRY?囊泡上的 mRNA 与线粒体共定位。值得注意的是，这些共定位的 mRNA 中包含核编码的线粒体 mRNA，这表明内吞溶酶体囊泡可将这些 mRNA 靶向到线粒体，以维持线粒体的正常功能。研究发现，通过敲除 Bloc - one 相关复合物（BORC）亚基，破坏 LAMP1?/LAMTOR4?囊泡的轴突运输，会导致轴突中线粒体和核糖体蛋白 mRNA 减少，进而引起局部蛋白质合成减少、轴突损伤，以及线粒体缺陷。
目前尚不清楚为何线粒体 mRNA 向轴突和树突的运输存在多种方式（内吞溶酶体介导、线粒体直接运输，以及可能的 “直接” 运输）。内吞溶酶体介导的 mRNA 靶向线粒体可能具有独特优势，这些较小且更具运动性的囊泡能够将 mRNA 精确地定位到线粒体的特定位置。例如，LAMP1?/Rab7?囊泡常在线粒体分裂前出现在其附近，它们可能有助于将 FMRP?RNA 颗粒精确地定位到线粒体中间区域。这种囊泡介导的定位依赖于 Rab7 的活性，这也解释了内吞溶酶体介导 mRNA 运输到线粒体的另一个原因，即能够调节特定 mRNA 在何时沉积到线粒体上进行翻译。在 HeLa 细胞中，溶酶体 - 线粒体接触依赖于激活的 Rab7，而 Rab7 本身可由线粒体 GTP 酶激活蛋白 TBC1D15 调节。在 RGC 轴突中，Rab7 的活性会影响内吞溶酶体 - 线粒体接触的持续时间以及内吞溶酶体上的翻译过程。
内质网是细胞器介导的 mRNA 定位的潜在主要调节者？
无论是在非神经元细胞还是神经元细胞中，ER 都与其他细胞器频繁接触。在非神经元细胞中，多项研究表明 ER 能够调节包括内吞溶酶体囊泡和线粒体在内的细胞器的分裂 / 融合和定位。在神经元中也观察到了类似现象，但这种调节对 mRNA 定位的影响尚不明确。研究发现，轴突前的 ER 小管能够调节 LAMP1?囊泡的分裂及其随后向轴突的转运。由于 mRNA 可与轴突中的 LAMP1?囊泡共运输，因此探究 ER 小管是否能够特异性地控制 mRNA 进入轴突具有重要意义，这可能对线粒体和轴突的健康产生影响。进一步推测，ER 可能通过其对细胞器定位和大小的调节功能，调控许多与其他细胞器共运输的 mRNA 的转运，而且这种调节功能可能具有亚区室特异性。在发育中的原代啮齿动物神经元中，观察到一种轴突 ER 梯状结构，它围绕微管形成紧密的支架，影响局部细胞器的分布。如果亚区室特异性的 ER 结构会影响细胞器分布，那么这可能是实现亚区室特异性 mRNA 定位的潜在机制。
多细胞器微环境促进 mRNA 定位、局部翻译和亚细胞功能
上述研究的证据表明，mRNA 的精确定位、局部翻译以及随后的亚细胞事件定位是由多个细胞器共同协调完成的。例如，线粒体的分裂依赖于内吞溶酶体囊泡将 RNA 颗粒精确地定位到线粒体分裂位点；在小鼠海马神经元中，线粒体、ER 和 LEs / 溶酶体之间的协调相互作用，对于 Pink1 的定位和局部翻译至关重要。持续的线粒体定位新生的 PINK1 蛋白，是线粒体质量控制的关键，这需要 Pink1 mRNA 从线粒体上脱离，重新定位到靠近 Rab7?、TMEM192?或 LAMP1?囊泡的 ER 膜附近的核糖体上。有研究认为，ER 有助于促进线粒体 - 内吞溶酶体接触、Pink1 的翻译，以及新生 PINK1 蛋白向线粒体的转运。在健康线粒体的情况下，内吞溶酶体可能有助于快速降解自噬体或新生的 PINK1，从而抑制线粒体自噬。内吞溶酶体囊泡与 ER 的接触也可能标记最佳的翻译位点。在 U - 2 OS 细胞中，编码膜 / 分泌蛋白的 mRNA 的翻译，优先发生在 ER 小管连接处且靠近 LAMP1?囊泡的位置。LAMP1?囊泡的靠近可能通过释放氨基酸，尤其是在氨基酸缺乏的情况下，促进翻译过程，同时这些囊泡也可能将 mRNA 定位到这些翻译位点。此外，ER 连接处增加的曲率和表面积，被认为是核糖体的最佳停靠位点，有利于形成更大的多聚核糖体阵列。而且，基于 ER 的翻译可能比胞质翻译产生更高的蛋白质表达水平。鉴于轴突 ER 小管是局部翻译的位点，且在神经元中观察到了 ER - 溶酶体接触，因此在神经元中可能也存在类似的事件。综合来看，这些研究指向了一个有趣的模型，即多个细胞器的靠近能够创造一个组合微环境，为精确的神经元 mRNA 定位和最佳翻译提供条件，进而调节亚细胞事件。
与神经系统疾病的联系
如前文所述，mRNA 的定位受到不同细胞器和多种因素的复杂调控。在过去十年中，越来越多的研究表明，mRNA 运输或局部翻译的中断与多种神经系统疾病相关，这其中包括运动蛋白和 RBPs 的多种致病突变。此外，大量证据显示，细胞器接触位点的失调也与神经系统疾病有关。
值得注意的是，目前已鉴定出的少数细胞器 - mRNA 连接蛋白均与疾病相关。FERRY 复合物亚基 TBCK、PPP1R21 或 C12orf4 的突变会导致多种神经系统疾病，ANXA11 的突变则在肌萎缩侧索硬化（ALS）患者中被发现。对于线粒体连接蛋白 SYNJBP2，虽然证据相对间接，但在运动神经元疾病患者细胞系中观察到了其表达上调。
此外，越来越多的证据表明，影响细胞器运输、细胞器接触位点或细胞器身份 / 功能的蛋白质致病突变，会对 mRNA 运输或局部翻译产生影响。例如，BORC 亚基的突变会导致一种婴儿期神经退行性疾病。在诱导多能干细胞（iPSC）衍生的神经元中，敲除 BORC 亚基 BORCS5 或 BORCS7 会阻止 LAMP1?囊泡向轴突的运输，进而导致轴突中特定 mRNA 子集的缺失，最终引发线粒体缺陷和轴突丢失。类似地，导致 CMT2B 的 Rab7 突变会干扰线粒体 mRNA 的局部翻译和线粒体的完整性。
最后，ER 塑形蛋白的突变可能通过多种方式影响 mRNA 定位和局部翻译。例如，RTN2 的突变会导致遗传性痉挛性截瘫（HSP），可能是通过改变轴突 ER 的形状来影响 mRNA 定位。Lunapark 的突变会导致一种罕见的神经发育疾病，Lunapark 对 ER 连接处的选择性翻译至关重要。
为何这些通常广泛表达的基因发生突变会导致神经系统疾病呢？一方面，部分细胞器 - mRNA 的结合似乎具有神经元特异性，如 Pink1 mRNA 与线粒体的结合在非神经元细胞中并未观察到。另一方面，轴突和树突中 ER 的独特形状及其相关功能，可能解释了为何神经元对 ER 形状的变化更为敏感。此外，神经元的长度和极性使其更容易受到运输缺陷的影响，并且更依赖局部翻译来维持细胞器和结构的稳定。
结论
综合近期研究，一个复杂的细胞器接触和 mRNA 定位协调机制逐渐清晰，它能够调节选择性局部翻译，维持神经元的功能和健康。除了文中重点讨论的细胞器，可能还有其他细胞器参与这一复杂的调控过程。在 HeLa 细胞中，通过大规模筛选 mRNA 定位，发现特定 mRNA 在高尔基体处富集；在细胞系中，mRNA 定位对高尔基体结构具有支持作用；在酵母中，过氧化物酶体膜蛋白的翻译发生在过氧化物酶体上。由此推测，沿神经突运输的其他囊泡，如致密核心囊泡或突触囊泡，也可能共运输特定的 mRNA，以实现局部翻译与神经元功能的空间耦合。
技术的进步为研究提供了更有力的工具，如 GI - SIM、光谱成像、CLEM 等技术，能够实现对多个细胞器和 mRNA/RNA 颗粒的高分辨率同时
