单细胞 RNA 测序揭示 FUS 和 TARDBP 型肌萎缩侧索硬化运动神经元特有的早期线粒体功能障碍

肌萎缩侧索硬化（ALS）中 FUS 和 TARDBP 突变致运动神经元选择性退化机制未明。本研究利用同基因 iPSC 衍生神经元的单细胞 RNA 测序，发现运动神经元中约 20% 失调转录本跨 FUS 突变共享，半数与功能获得（GOF）相关，且与 TARDBP 突变及 C9orf72-ALS 患者运动神经元存在线粒体通路重叠，提示早期线粒体功能障碍或为治疗靶点。

　　

肌萎缩侧索硬化（ALS）如同笼罩在医学界的一团迷雾，这种致命疾病会无情地侵蚀运动神经元，导致患者肌肉萎缩、瘫痪，直至呼吸衰竭。目前，尽管已知 FUS、TARDBP 等基因突变与家族性 ALS 密切相关，但运动神经元选择性退化的具体机制却如同隐藏在重重云雾之中 —— 究竟这些突变是通过 “功能获得” 还是 “功能丧失” 引发病变？不同基因突变之间是否存在共同的致病通路？为何运动神经元对这些突变如此敏感？这些问题一直困扰着科研人员。为了拨开这些迷雾，来自瑞典斯德哥尔摩大学、卡罗林斯卡学院以及英国伦敦国王学院等机构的研究团队展开了深入探索，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员以同基因诱导多能干细胞（iPSC）为核心模型，通过 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建了携带 FUS P525L、FUS R495X、TARDBP M337V 突变或 FUS 敲除（KO）的 iPSC 系，并将其分化为脊髓运动神经元和中间神经元。随后运用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，在单细胞分辨率下解析不同神经元类型的转录组差异。同时结合线粒体动态追踪、免疫荧光染色及代谢功能分析等手段，系统揭示突变对运动神经元的影响。

同基因 ALS-FUS 模型揭示细胞类型特异性转录失调

研究首先聚焦于 FUS 突变的致病性差异。通过对 502 例 FUS-ALS 临床病例的 Meta 分析，筛选出发病早、进展快的 FUS P525L 和 R495X 突变。利用 CRISPR/Cas9 编辑技术构建同基因 iPSC 系后，分化得到的运动神经元和中间神经元经单细胞 RNA 测序显示，运动神经元的转录变化显著强于中间神经元。其中，FUS P525L 纯合突变诱导的差异表达基因（DEG）数量是杂合突变的两倍以上，呈现剂量依赖效应，表明突变严重程度与转录失调程度密切相关。

跨 FUS 突变的运动神经元共享功能获得通路

通过比较 FUS 突变与 FUS KO 细胞，研究发现约 20% 的运动神经元特异性 DEG 在 FUS 突变间共享，其中半数与功能获得（GOF）相关。基因集富集分析（GSEA）显示，这些通路显著富集于线粒体功能相关过程，如氧化磷酸化、线粒体呼吸链组装等。值得注意的是，即使是核定位正常的 FUS R244C 突变，也观察到线粒体运动缺陷，提示线粒体功能障碍独立于蛋白错误定位，是 FUS GOF 毒性的核心特征。

TARDBP M337V 突变诱导运动神经元特异性转录风暴

在 TARDBP M337V 突变模型中，运动神经元表现出 2284 个 DEG，远超中间神经元，且通路分析显示其与 FUS 突变共享线粒体功能下调特征。尽管 TARDBP M337V 蛋白未发生明显细胞质错定位，但其转录组变化与 FUS 突变高度重叠，尤其是氧化磷酸化和 RNA 代谢通路，表明不同基因突变可能通过共同的线粒体机制损伤运动神经元。

跨 ALS 基因突变的线粒体功能障碍 convergence

将 FUS、TARDBP 突变模型与 C9orf72-ALS 患者 iPSC 衍生运动神经元的转录组对比发现，三者共享氧化磷酸化下调、核运输上调等通路。值得注意的是，C9orf72 模型中观察到的线粒体基因表达异常与 FUS/TARDBP 模型高度吻合，提示线粒体功能障碍是跨遗传背景 ALS 的早期共同事件。进一步的线粒体动态分析显示，所有 ALS 模型均存在线粒体运动缺陷和间距异常，且与突变类型无关，印证了线粒体功能障碍的普遍性。

线粒体功能障碍的分子与功能验证

转录组数据显示，ALS 运动神经元中 54 个线粒体呼吸链基因表达下调，涉及复合体 I-V。免疫荧光证实，线粒体复合体亚基 MT-CO1、MT-CO3 等蛋白水平显著降低。尽管 Seahorse 代谢分析未检测到氧消耗率（OCR）的显著差异，但线粒体 DNA 拷贝数分析和动态追踪实验均支持线粒体功能受损。这些结果表明，转录层面的线粒体功能抑制可能先于代谢表型出现，是早期致病关键。

本研究通过多维度单细胞分析，首次在人类细胞模型中揭示了 FUS 和 TARDBP 突变导致 ALS 的共同机制 —— 运动神经元特异性早期线粒体功能障碍，且该过程独立于蛋白聚集和定位异常。研究不仅解析了 ALS 遗传异质性下的核心致病通路，也为跨亚型治疗提供了关键靶点，如线粒体动态调控和氧化磷酸化通路。值得注意的是，线粒体功能障碍在 C9orf72 模型中的保守性提示其可能是散发性 ALS 的潜在机制，这为开发广谱性治疗策略奠定了基础。未来，针对线粒体功能的干预措施，如增强线粒体运动或恢复呼吸链功能，有望为 ALS 治疗带来新希望。