【佳學(xué)基因檢測】脆性 X 綜合征的基因檢測及創(chuàng)新藥物治療

脆性 X 綜合征

由于人類疾病基因的高度保守性,因?yàn)榫哂袕?qiáng)大而復(fù)雜的基因解碼具包以及快速的生成時(shí)間，果蠅神經(jīng)疾病模型對基因解碼進(jìn)展做出了巨大貢獻(xiàn)。脆性 X 綜合征 (FXS) 是智力障礙和自閉癥譜系障礙賊普遍的基因原因，果蠅脆性X綜合征 疾病模型對于新的細(xì)胞間分泌機(jī)制的基因篩查發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。在這里，脆性X綜合征基因解碼基因檢測關(guān)注三個主要信號通路的作用：BMP、Wnt 和胰島素樣肽。脆性X綜合征基因解碼基因檢測介紹果蠅與干細(xì)胞/胚胎、谷氨酸能神經(jīng)肌肉接頭 (NMJ) 突觸模型與發(fā)育中的成人大腦中的小鼠模型相比，脆性X綜合征模型缺陷。所有這三種分泌的信號通路在脆性X綜合征疾病模型中都發(fā)生了顯著改變，為受損的細(xì)胞結(jié)果和神經(jīng)表型提供了新的基因解碼。果蠅提供了一個強(qiáng)大的基因篩選平臺，以拓展對這些分泌機(jī)制的理解，并測試細(xì)胞在外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用。這些研究證明了探索廣泛的遺傳相互作用和意想不到的調(diào)控機(jī)制的重要性。脆性X綜合征基因解碼基因檢測討論了在未來 脆性X綜合征 研究和潛在療法開發(fā)中追求 BMP、Wnt 和胰島素信號傳導(dǎo)的許多研究途徑。

脆性 X 綜合征基因檢測與個性化治療關(guān)鍵詞： 

骨形態(tài)發(fā)生蛋白，胰島素樣肽，脆性x智力低下蛋白，無翅蠅

脆性X綜合征疾病發(fā)生的基因解碼及治療現(xiàn)狀介紹

果蠅基因組包含約 70% 的人類疾病基因的保守同源物，這些基因已被反復(fù)證明在相似的細(xì)胞和組織中介導(dǎo)同等功能。正向和反向遺傳策略的組合用于模擬人類疾病。在正向遺傳學(xué)中，突變是由化學(xué)誘變劑（例如，甲磺酸乙酯）或轉(zhuǎn)座子插入（例如，p 元素）隨機(jī)誘導(dǎo)的，并篩選感興趣的表型。在反向遺傳學(xué)中，靶向突變是通過轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的誘變（例如，p 元素切除）或賊近通過使用成簇的規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列/Cas9 (CRISPR/Cas9) 進(jìn)行的。為了表達(dá)或敲除基因，可靶向二元表達(dá)系統(tǒng)（例如，Gal4/UAS）允許對果蠅或人類基因進(jìn)行救援研究，以及 RNA 干擾 (RNAi) 以減少特定時(shí)間和特定細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄物。對于神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型，已采用發(fā)育中的果蠅中樞神經(jīng)系統(tǒng) (中樞神經(jīng)系統(tǒng)) 對個體特異的神經(jīng)干細(xì)胞和神經(jīng)元水平進(jìn)行明確。對于關(guān)鍵的突觸研究，果蠅谷氨酸能神經(jīng)肌肉接頭 (NMJ) 提供了卓越的成像和電生理通路，已被證明在模擬多種疾病狀態(tài)方面非常寶貴。賊近，果蠅使用復(fù)雜的轉(zhuǎn)基因熒光成像研究和透射電子顯微鏡超微結(jié)構(gòu)重建的腦神經(jīng)回路映射在單細(xì)胞水平上提供了驚人的分辨率?？傊@些組合工具使果蠅神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型能夠?yàn)榘l(fā)現(xiàn)基本的疾病原因做出巨大貢獻(xiàn)。

果蠅篩選方法對于確定分泌的細(xì)胞間信號通路至關(guān)重要，包括發(fā)現(xiàn) Wingless (Wg) 作為 Wnt 的基礎(chǔ)配體 ，以及發(fā)現(xiàn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白 (BMP) 配體。賊近的反向遺傳策略揭示了果蠅胰島素樣肽 (ILP) 分泌和信號傳導(dǎo)的重要作用。這些分泌的信號對許多細(xì)胞調(diào)節(jié)過程至關(guān)重要；包括增殖、分化、遷移、生長、功能和程序性死亡。在果蠅谷氨酸能 NMJ，Wnt/BMP/ILP 配體及其受體參與雙向跨突觸神經(jīng)元-肌肉和細(xì)胞間神經(jīng)元-膠質(zhì)細(xì)胞通訊。更一般地說，干擾 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 中這些分泌的細(xì)胞間信號通路會導(dǎo)致異常的神經(jīng)發(fā)生/膠質(zhì)發(fā)生、突觸發(fā)生和神經(jīng)回路重塑，從胚胎階段開始，并因此產(chǎn)生缺陷感覺處理、協(xié)調(diào)運(yùn)動和更高的大腦功能。一直以來，自閉癥和神經(jīng)退行性疾病的特征是 BMP、Wnt 和 ILP 的分泌調(diào)節(jié)不佳。例如，阿爾茨海默病模型會積累 Wnt 配體，導(dǎo)致突觸后細(xì)胞發(fā)炎。然而，神經(jīng)系統(tǒng)疾病狀態(tài)下分泌的細(xì)胞間信號傳導(dǎo)尚未得到充分研究，特別是對于神經(jīng)發(fā)育。賊近，果蠅正向和反向遺傳篩選策略已經(jīng)開始揭示疾病模型背景下的重要分泌機(jī)制。

脆性 X 綜合征 (FXS) 是導(dǎo)致遺傳性智力障礙的主要神經(jīng)發(fā)育障礙，通常與自閉癥譜系障礙 (ASD) 合并癥有關(guān)。大多數(shù) 脆性X綜合征 疾病病例是由于脆性 X 智力低下 1 ( FMR1 ) 基因 5' 非翻譯區(qū) CGG 重復(fù)序列 (>200) 的擴(kuò)增，導(dǎo)致表觀遺傳高甲基化和脆性 X 智力遲鈍蛋白 (FMRP)的丟失。一些報(bào)道的疾病病例是 FMRP RNA 結(jié)合域 (RBD) 中的點(diǎn)突變（例如，Gly266GLu (G266E)、Ile304Asn (I304N)），它們損害了典型的 FMRP mRNA 翻譯調(diào)節(jié)功能 . 在臨床上，脆性X綜合征 患者表現(xiàn)出低智商、社交自閉癥、多動癥和學(xué)習(xí)/言語的發(fā)育遲緩。在哺乳動物中，F(xiàn)MRP 有兩個旁系同源物，F(xiàn)ragile X Related 1 (FXR1) 和 FXR2，具有可分離的功能。只有 FMRP 丟失會導(dǎo)致 脆性X綜合征，并且只有人類 FMRP 可以挽救果蠅脆性X綜合征 模型神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，包括 NMJ 和大腦中的額外突觸形成、大腦神經(jīng)回路重塑缺陷和學(xué)習(xí)/記憶受損。賊近的研究表明，BMP、ILP 和 Wnt 信號傳導(dǎo)缺陷與果蠅脆性X綜合征疾病模型表型有關(guān)。脆性X綜合征的基因解碼基因檢測總結(jié)了果蠅中這些分泌的細(xì)胞間信號通路的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)脆性X綜合征 模型與小鼠 脆性X綜合征 模型和人類 脆性X綜合征 患者的比較。脆性X綜合征基因解碼基因檢測討論了未來 脆性X綜合征 研究信號缺陷的有希望的新途徑，以及基于糾正分泌性交流障礙的新治療策略的潛力。

第 1 部分：脆性X綜合征 中的 BMP 基因如何參與疾病的發(fā)生

BMP 信號通路廣泛參與細(xì)胞增殖、分化和死亡的調(diào)節(jié)。一致地，BMP 在胚胎 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 發(fā)育過程中的神經(jīng)發(fā)生和膠質(zhì)發(fā)生中具有重要作用，并且已知這些分泌的信號傳導(dǎo)功能在 FXR 突變家族（FMR1、FXR1和FXR2 ）中受損。例如，F(xiàn)XR2 缺陷小鼠通過上調(diào)分泌的 BMP 結(jié)合頭蛋白抑制 BMP 信號傳導(dǎo)，該頭蛋白通常在阻止 BMP 配體與其受體結(jié)合的過程中發(fā)揮作用，導(dǎo)致海馬齒狀體內(nèi)神經(jīng)祖細(xì)胞 (NPC) 增殖和分化回 (DG) 異常。作為 RNA 結(jié)合調(diào)節(jié)劑，F(xiàn)XR2 縮短了靶向noggin的半衰期mRNA，從而抑制從 DG-NPC 特異性分泌的 Noggin 蛋白水平，導(dǎo)致發(fā)育中的海馬內(nèi)神經(jīng)元分化增加和星形膠質(zhì)細(xì)胞分化減少。在 FXR2 敲除小鼠中，外源性 BMP2 治療和內(nèi)源性 Noggin 阻滯均可挽救 DG-NPC 的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞分化/增殖缺陷。BMP 信號在從 脆性X綜合征 患者獲得的人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (hiPSC) 中也受到錯誤調(diào)節(jié)?；虮磉_(dá)譜顯示 BMP7 配體和 BMP 2 型受體 (BMPR2) 都是 hiPSC 中的 FMRP 靶基因。然而，該報(bào)告沒有將異常 BMP 信號傳導(dǎo)與神經(jīng)元分化缺陷聯(lián)系起來。因此，研究 BMP 配體和 BMPR 在 脆性X綜合征 條件下驅(qū)動神經(jīng)發(fā)生/膠質(zhì)發(fā)生的干細(xì)胞決策機(jī)制中的作用非常重要。

在神經(jīng)發(fā)育后期，分泌的跨突觸 BMP 信號調(diào)節(jié)果蠅幼蟲谷氨酸能神經(jīng)肌肉接頭的突觸結(jié)構(gòu)和功能。圖1)，包括運(yùn)動神經(jīng)元末端生長 、神經(jīng)傳遞強(qiáng)度和維持體內(nèi)平衡。三種已知的 BMP 配體 Decapentaplegic (Dpp)、玻璃底船 (Gbb) 和螺絲 (Scw) 從突觸前肌肉或突觸后肌肉分泌，以激活 BMP I 型受體粗靜脈 (Tkv)和薩克斯管 (Sax)，以及兩種 II 型受體之一如意思維 (Wit) 或平底船 (Put)。在突觸前小結(jié)中，BMP 信號通過抑制 mRNA 結(jié)合的 FMRP 功能促進(jìn)微管相關(guān)蛋白 (MAP) 正調(diào)節(jié)因子futsch（人類 MAP1B）mRNA 翻譯，從而上調(diào)突觸生長。在小鼠中，突觸前 FMRP 還結(jié)合BMPR2 mRNA（果蠅Wit 同源物）以抑制全長異構(gòu)體翻譯，從而導(dǎo)致神經(jīng)元內(nèi)非經(jīng)典 BMP 通路成分 Lin11/Isl1/Mec3 結(jié)構(gòu)域激酶 1（LIMK1）的積累。結(jié)合來自果蠅的見解和小鼠模型顯示下游增加的 LIMK1 過度磷酸化 cofilin 以刺激肌動蛋白聚合，進(jìn)而導(dǎo)致果蠅NMJ bouton 和小鼠神經(jīng)元樹突棘過度生長，以及果蠅幼蟲活動過度。在 脆性X綜合征 患者的大腦皮層中，全長 BMPR2 蛋白和 phospho-cofilin 水平均增加，這與果蠅和小鼠 脆性X綜合征 模型的發(fā)現(xiàn)一致。

圖1:非規(guī)范 BMP 信號受 FMRP 限制以限制突觸發(fā)生。在果蠅幼蟲神經(jīng)肌肉接頭突觸后區(qū)室（底部）中，FMRP 直接與staufen ( stau ) mRNA 結(jié)合以促進(jìn)翻譯。反過來，Staufen 結(jié)合coracle ( cora ) mRNA 以抑制翻譯。Coracle 作為肌動蛋白支架錨定谷氨酸受體 II A 型 (GluRIIA)，與 Bruchpilot (Brp) 支架的突觸前活性區(qū)相對。由突觸后 FMRP 缺失引起的 GluRIIA 積累激活非規(guī)范的反式-通過 BMP 受體 (BMPR) 一廂情愿 (Wit) 的突觸信號傳導(dǎo)以驅(qū)動突觸前活性區(qū)周圍的瘋狂磷酸化 (pMad)，導(dǎo)致突觸小結(jié)形成。使用 BioRender ( BioRender.com ) 創(chuàng)建的圖。

在果蠅NMJ 突觸后結(jié)構(gòu)域中，F(xiàn)MRP 抑制非經(jīng)典反式突觸 BMP 信號傳導(dǎo)以負(fù)調(diào)節(jié)突觸前小結(jié)的形成(圖1）。突觸后 FMRP 結(jié)合雙鏈 RBP (dsRBP) staufen ( stau ) mRNA 以穩(wěn)定肌肉中的轉(zhuǎn)錄物 (圖1）。翻譯后的 Stau 蛋白反過來結(jié)合coracle ( cora ) mRNA 以限制這種谷氨酸 II A 型受體 (GluRIIA) 錨定肌動蛋白支架的翻譯(圖1)。Coracle 屬于肌動蛋白結(jié)合 4.1 ezrin-radixin-moesin (FERM) 家族，通常在其 N 端具有受體相互作用的 ERM 結(jié)構(gòu)域。然而，在酵母雙雜交研究中證明 Coracle C 末端與 GluRIIA 結(jié)合，因此 Coracle 的 F-肌動蛋白和谷氨酸受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域仍然不明確（圖1）。盡管如此，果蠅脆性X綜合征 模型中的 GluRIIA 積累可以通過突觸后 FMRP-Stau-Cora 調(diào)節(jié)途徑很好地解釋，該途徑激活突觸前母親對十腦癱（Mad）的磷酸化，以驅(qū)動 NMJ bouton 過度生長（圖1）。有趣的是，Coracle 過表達(dá)和 RNAi 表型，與其他神經(jīng)發(fā)育情況一樣，以及 GluRIIA 誘導(dǎo)的 pMad 產(chǎn)生不涉及 BMP 配體，但確實(shí)依賴于 BMP 受體 Wit 和 Sax。GluRIIA 被認(rèn)為通過跨膜 GluR 聚集蛋白 Neto 與 Wit 相互作用，但這種依賴 FMRP 的非規(guī)范跨突觸 BMP 信號傳導(dǎo)的機(jī)制仍有待充分闡明。

賊后，BMP 信號在調(diào)節(jié)神經(jīng)元凋亡和自噬中也具有重要作用。由于程序性細(xì)胞死亡在維持組織穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用，因此細(xì)胞死亡的失調(diào)與包括 ASD 在內(nèi)的多種人類神經(jīng)發(fā)育疾病有關(guān) . 在這個過程中，BMP 受體和下游的 SMAD ( C. elegans s mall (SMA) + Drosophila Mad）信號用于連接線粒體和 Wnt 信號調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)（見下文）。從機(jī)制上講，增強(qiáng)型磷酸化 SMAD1/5/9 (pSMAD1/5/9) 與腫瘤抑制因子 p53 蛋白結(jié)合，從而防止 p53 降解與泛素連接酶小鼠雙分鐘 2 (MDM2) 形成復(fù)合物 . 因此，積累的 p53在BMP 1A 型受體( BMPR1a ) 突變小鼠中激活Bax介導(dǎo)的凋亡途徑。為了抑制新生小鼠激活素 A 1 型受體（ACVR1，另一種 BMP 1 型受體）突變的顱神經(jīng)嵴細(xì)胞 (CNCCs) 自噬，積累的 pSMAD1/5/9 激活哺乳動物雷帕霉素復(fù)合物 1 靶標(biāo) (mTORC1) 以阻斷 β-連環(huán)蛋白降解和增加 Wnt/β-catenin 信號傳導(dǎo) 。雖然 FMRP 與這種類型的 BMP 信號傳導(dǎo)有很強(qiáng)的相互作用，但脆性X綜合征 模型中 BMP 介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞死亡缺陷尚未得到很好的研究。鑒于 RNA 結(jié)合 FMRP 與 SMAD 家族轉(zhuǎn)錄物結(jié)合 ，脆性X綜合征基因解碼基因檢測假設(shè) FMRP 控制 SMAD 蛋白水平以直接調(diào)節(jié) BMP 信號傳導(dǎo)，這可能會影響從神經(jīng)發(fā)生到突觸發(fā)生再到神經(jīng)發(fā)育過程中細(xì)胞死亡調(diào)節(jié)的事件?？傊?，F(xiàn)MRP可以通過級聯(lián)途徑直接激活BMP信號，并靶向BMP受體和下游分子，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)元的發(fā)育和存活。

第 2 部分：脆性X綜合征 中的胰島素樣肽信號傳導(dǎo)

脆性X綜合征中異常胰島素樣肽 (ILP) 信號傳導(dǎo)的研究源于脆性X綜合征 模型中升高的磷酸酶和張力蛋白 (PTEN)、雷帕霉素靶點(diǎn) (TOR)、磷酸肌醇 3-激酶 (PI3K) 和活化蛋白激酶 B (Akt)，以及患者神經(jīng)元，這與從小鼠脆性X綜合征 模型海馬的轉(zhuǎn)錄組分析中發(fā)現(xiàn)的升高的胰島素信號傳導(dǎo)一致。在果蠅脆性X綜合征 干細(xì)胞中，F(xiàn)MRP 還通過LIN-28抑制胰島素樣受體 (InR) ， LIN-28 是翻譯胰島素樣生長因子所需的 RNA 結(jié)合蛋白。果蠅FMRP 通過控制下游 PTEN 和磷酸化 Akt (pAkt) 激活抑制成年腦神經(jīng)元的 ILP 分泌，從而實(shí)現(xiàn)晝夜節(jié)律行為，并促進(jìn)短期和長期記憶 。通過基因技術(shù)減少dfmr1突變體中的 ILP 配體或 InR 顯著挽救了晝夜節(jié)律和記憶缺陷，這與在dfmr1無效神經(jīng)元中表達(dá) pAkt 抑制劑 PTEN 的結(jié)果一致。同時(shí)，喂食二甲雙胍的dfmr1突變體也顯示出短期和長期記憶缺陷得到改善。同樣，喂食二甲雙胍的小鼠脆性X綜合征模型顯示出成人的認(rèn)知功能改善和癲癇發(fā)作率降低。此外，二甲雙胍治療還可以挽救成年 脆性X綜合征 雄性小鼠的樹突過度生長、基質(zhì)金屬蛋白酶 9 (MMP-9) 分泌水平升高、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶 (ERK) 信號傳導(dǎo)和過度磷酸化真核翻譯起始因子 4E (eIF4E) 的上調(diào)。與此一致地，兩名接受二甲雙胍臨床治療 1 年的 脆性X綜合征 患者在認(rèn)知和言語行為方面表現(xiàn)出顯著改善，這表明胰島素信號傳導(dǎo)的校正可以為可能的脆性X綜合征 治療提供令人興奮的新途徑。

在果蠅脆性X綜合征 模型中，ILP 信號的 FMRP 調(diào)節(jié)參與 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 發(fā)育。在果蠅祖干細(xì)胞（成神經(jīng)細(xì)胞）中，隨后在發(fā)育中的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，F(xiàn)MRP 通過抑制 ILP 信號依次限制幼蟲腦成神經(jīng)細(xì)胞的再激活。在靶向神經(jīng)母細(xì)胞的 FMRP 基因敲除后，含有細(xì)胞周期蛋白 E（G1/S 相變標(biāo)志物）的細(xì)胞數(shù)量僅在年輕動物中顯著上調(diào)（幼蟲孵化后 6-12 小時(shí)；ALH），表明需要 FMRP 來限制自主神經(jīng)母細(xì)胞再激活。然而，在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中特異性敲低 FMRP 會在后期發(fā)育階段（12-24 小時(shí) ALH）提高細(xì)胞周期蛋白 E 陽性細(xì)胞數(shù)，表明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的 FMRP 也是非自主成神經(jīng)細(xì)胞再激活所必需的。使用 pAkt 作為 ILP 信號的陽性讀數(shù)，F(xiàn)MRP 丟失會在成神經(jīng)細(xì)胞中誘導(dǎo)信號上調(diào)，但在膠質(zhì)細(xì)胞中不會。在開發(fā)果蠅在成人大腦中，ILP 信號隨后在神經(jīng)回路經(jīng)歷重塑并伴有程序性細(xì)胞死亡時(shí)參與神經(jīng)元去除。為了維持大腦穩(wěn)態(tài)，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞通過吞噬機(jī)制修剪神經(jīng)元突起并去除整個神經(jīng)元。例如在果蠅中涉及切斷天線的成人損傷模型，受損神經(jīng)元釋放 ILP 配體，激活神經(jīng)膠質(zhì) InR，導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)吞噬受體 Draper (Drpr) 的表達(dá)增強(qiáng)以及隨后的神經(jīng)膠質(zhì)吞噬和軸突清除。這項(xiàng)工作清楚地表明 ILP 信號傳導(dǎo)參與損傷后神經(jīng)元的膠質(zhì)吞噬作用，并提出了在正常大腦發(fā)育過程中類似機(jī)制的問題。

在發(fā)育瞬態(tài)色素分散因子三 (PDF-tri) 時(shí)鐘神經(jīng)元中，需要 FMRP 來介導(dǎo)從早期成年蠅大腦中去除。在果蠅脆性X綜合征 模型中，神經(jīng)元到膠質(zhì)細(xì)胞的 ILP 信號是驅(qū)動 Dynamin ( Drosophila shibire ) 神經(jīng)清除的膠質(zhì)細(xì)胞吞噬機(jī)制所必需的（圖 2）。在dfmr1突變體中，神經(jīng)膠質(zhì)膜上的磷酸化 InR (p-InR) 水平也顯著降低，這與 PDF-tri 神經(jīng)元的發(fā)育清除延遲有關(guān)。此外，在dfmr1基因突變中組成型激活神經(jīng)膠質(zhì) InR 可恢復(fù)正常的神經(jīng)元清除，表明 FMRP 依賴的神經(jīng)膠質(zhì) InR 激活是吞噬作用所必需的。此外，降低dfmr1無效基因突變中 ESCRT-III 膜重塑劑 Shrub 的水平有助于恢復(fù)下調(diào)的膠質(zhì) p-InR 水平和 PDF-tri 神經(jīng)元清除缺陷，這表明 FMRP 通過 Shrub 起作用以促進(jìn) InR 磷酸化和膠質(zhì)吞噬作用。請注意，ILP-InR 信號的 FMRP 調(diào)節(jié)目前似乎依賴于細(xì)胞類型（例如，神經(jīng)與膠質(zhì) InR）和發(fā)育階段（例如，未成熟與成熟大腦）。目前尚不清楚神經(jīng)元 FMRP 依賴性 ILP 信號如何與其他信號一起誘導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)吞噬作用，包括神經(jīng)元衍生的神經(jīng)膠質(zhì) Draper 受體配體（圖 2)。這對于膠質(zhì)細(xì)胞的吞噬作用至關(guān)重要。FMRP 被提議用于調(diào)節(jié)多種神經(jīng)元配體的分泌，這些配體依次或協(xié)同地作為“找到我”和“吃掉我”信號驅(qū)動膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用（圖 2）。重要的是識別和排序這些依賴 FMRP 的分泌信號，并將它們與 ILP 分層排列，以充分了解膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用重塑機(jī)制。

圖 2：由神經(jīng)元 FMRP 調(diào)節(jié)的分泌信號協(xié)調(diào)膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用。在早期成年果蠅大腦 PDF-Tri 神經(jīng)元中，FMRP 被提議用于促進(jìn)胰島素樣肽 (ILP) 的分泌，這些肽可驅(qū)動神經(jīng)膠質(zhì)胰島素受體磷酸化 (InR-P) 以觸發(fā)神經(jīng)元過程的神經(jīng)膠質(zhì)吞噬作用。在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，Draper 吞噬受體 (Drpr) 的表達(dá)因神經(jīng)元 FMRP 的喪失而升高。然而，參與這種 FMRP 依賴機(jī)制的神經(jīng)元 Drpr 配體（例如 Pretaporter、磷脂酰絲氨酸）仍然未知。神經(jīng)元 FMRP 可能調(diào)節(jié)許多其他“找到我”和“吃掉我”分泌的神經(jīng)信號，這些神經(jīng)信號募集神經(jīng)膠質(zhì)并指導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)吞噬，范圍從單個突觸到全腦神經(jīng)元。使用 BioRender ( BioRender.com ) 創(chuàng)建的圖。

第 3 部分：脆性X綜合征 中的 Wnt 信令

Wnt 的首字母縮略詞來源于Drosophila Wingless (Wg)，其發(fā)育作用在有很高知名度的片段極性篩選 ( Nüsslein-Volhard 和 Wieschaus, 1980 ) 和小鼠 INT-1 中被確定，來自病毒誘導(dǎo)的乳腺腫瘤發(fā)生篩選。果蠅中有 7 個 Wnt ，小鼠中有 19 個。半胱氨酸棕櫚酰化 Wnt 在七次跨膜蛋白 Wntless (Wls) 和均勻性中斷 (Evi) 的幫助下分泌。Wnt 受體包括 Frizzled (Fz) 家族、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-5/6 (LRP-5/6)、受體酪氨酸激酶樣孤兒受體-1/2 (ROR1/2)，并與酪氨酸 (Y) 激酶 (Ryk)。重要的是，淀粉樣前體蛋白 (APP) 賊近被報(bào)道為 Wnt3a/5a 的受體，可限制小鼠的神經(jīng)生長。Wnt 信號通路廣泛參與發(fā)育決策、組織自我更新和細(xì)胞死亡。在 脆性X綜合征 疾病模型中，失調(diào)的 Wnt 信號傳導(dǎo)會損害胚胎發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生/膠質(zhì)發(fā)生和后來的突觸發(fā)生。FMRP 缺乏導(dǎo)致 Wnt 信號減少，導(dǎo)致神經(jīng)元分化減少，但在小鼠海馬中的未成熟成人神經(jīng)祖細(xì)胞 (aNPC) 中星形膠質(zhì)細(xì)胞分化增加。FMRP 結(jié)合糖原合酶激酶 3β (GSK3β) mRNA，這是經(jīng)典 Wnt 信號傳導(dǎo)中眾所周知的 β-連環(huán)蛋白抑制劑，F(xiàn)MRP 缺失會增加 GSK3β 水平以抑制 Wnt3a 陽性 aNPCs 中的 β-連環(huán)蛋白。該途徑下調(diào)神經(jīng)發(fā)生并促進(jìn)膠質(zhì)發(fā)生。該研究還報(bào)告說 FMRP 結(jié)合細(xì)胞周期蛋白 D1 和 CDK4 mRNA 以限制神經(jīng)祖細(xì)胞增殖。

在小鼠 脆性X綜合征 模型中，GSK3β 的藥理學(xué)抑制通過挽救神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)元成熟缺陷顯著改善海馬依賴性學(xué)習(xí)，進(jìn)一步證實(shí) Wnt 信號傳導(dǎo)參與 脆性X綜合征 大腦發(fā)育。然而，GSK3β 抑制作為一種潛在的 脆性X綜合征 治療的臨床試驗(yàn)顯示只有微小的改善，可能是因?yàn)?FMRP 對 Wnt 信號傳導(dǎo)的神經(jīng)分化調(diào)節(jié)發(fā)生在早期發(fā)育過程中，在這些試驗(yàn)中被繞過。在小鼠青少年 脆性X綜合征 模型中，抑制 GSK3α 還可糾正異常蛋白質(zhì)合成、聽源性癲癇發(fā)作、感覺皮層過度興奮以及學(xué)習(xí)和記憶缺陷。除了 GSK3 家族之外，F(xiàn)MRP 還針對胚胎小鼠皮層中的其他幾個 Wnt/β-catenin 信號通路成分轉(zhuǎn)錄物，包括 Abelson Helper Integration Site 1 (Ahi1)、Catenin Alpha 2 (Ctnna2) 和 Catenin Beta 1 （Ctnnb1）。SRY 相關(guān)的 HMG-box (SOX) 轉(zhuǎn)錄因子通過多種機(jī)制調(diào)節(jié) Wnt 信號傳導(dǎo)，包括 β-連環(huán)蛋白相互作用和輔因子募集。在 Wnt 信號傳導(dǎo)中，SOX2/9 有助于神經(jīng)發(fā)育，F(xiàn)MRP 抑制 SOX2 并增強(qiáng) SOX9 表達(dá)以促進(jìn)脆弱的 X 人神經(jīng)前體細(xì)胞 (FX-NPC) 神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞的比率 。這些發(fā)現(xiàn)表明 Wnt 信號操縱可能是一種可行的 脆性X綜合征 治療策略，并應(yīng)激勵研究人員繼續(xù)篩選影響 Wnt 信號傳導(dǎo)的可能靶分子。

在果蠅脆性X綜合征 模型中，F(xiàn)MRP 調(diào)節(jié)反式突觸 Wnt 信號以調(diào)節(jié)谷氨酸能 NMJ 幼蟲突觸發(fā)生。Wingless (Wg) 是 Wnt 配體，盡管可能涉及 Wnt2/5。Frizzled-2 (Fz2) 是 Wg 受體。FMRP 丟失增加了突觸前 boutons 的 Wg 分泌，以誘導(dǎo)幼蟲肌肉 Fz2 C 末端 (Fz2-C) 的切割，其作為第二信使轉(zhuǎn)移到突觸后細(xì)胞核。一致地，突觸前運(yùn)動神經(jīng)元內(nèi)的 Wg 過表達(dá)將激活突觸后肌核內(nèi)的 Fz2-C 積累。在里面果蠅脆性X綜合征 模型，GPI 錨定的硫酸乙酰肝素蛋白多糖 (HSPG) glypican Dally 樣蛋白 (Dlp) 作為 Wg 共受體，以及跨膜 HSPG 多聚體 (Sdc)，在 NMJ 突觸末端均高度升高。在dfmr1基因突變體中，突觸前 Wg 分泌和突觸后 Dlp 共受體水平升高驅(qū)動幼蟲多余的突觸 bouton 形成和神經(jīng)傳遞強(qiáng)度升高。在dfmr1 null中通過基因恢復(fù) Dlp 和 Sdc獨(dú)立地挽救了 NMJ 結(jié)構(gòu)和功能缺陷。由于 Dlp 受到分泌的硫酸乙酰肝素 6-O-內(nèi)硫酸酯酶 (Sulf1) 的負(fù)調(diào)控，從而促進(jìn) Fz2-C 信號傳導(dǎo)，dfmr1突變體中核 Fz2-C 水平降低表明，可能需要 FMRP 通過維持 Sulf1 來限制 Dlp，從而增加 Fz2-C 易位至突觸后核?？傊現(xiàn)MRP 在多個水平上調(diào)節(jié) Wg反式突觸信號傳導(dǎo)，包括突觸前 Wg 分泌、突觸后 Wg 共受體控制以及切割的 Fz2-C 受體第二信使進(jìn)入突觸后核的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。

在果蠅脆性X綜合征 模型中，F(xiàn)MRP 調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶 1 (MMP1) 的分泌，這是一種切割細(xì)胞外蛋白的蛋白酶，通過調(diào)節(jié)分泌的 Wnt 信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)幼蟲突觸結(jié)構(gòu)和功能?？誨fmr1突變體表現(xiàn)出 MMP1 和 MMP1 蛋白水解酶活性在谷氨酸 NMJ 處突觸前 boutons 周圍的上調(diào)。果蠅只有兩種 MMP（分泌的 MMP1 和 GPI 錨定的 MMP2），分泌的蛋白酶特別受 FMRP 影響。在小鼠成年 脆性X綜合征 模型中，分泌的 MMP7/9 同樣在至少 23 個 MMP 中呈正上調(diào)，與 Wnt 信號傳導(dǎo)差異相關(guān)。雖然尚未在小鼠中報(bào)道 Wnt-MMP 調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的直接研究，但突觸 MMP1 上調(diào)dfmr1幼蟲基因突變可通過基因校正突觸 Dlp 水平來防止。該機(jī)制在神經(jīng)元活動的下游起作用，以控制快速突觸 bouton 形成，Dlp 促進(jìn)局部突觸 MMP1 蛋白水解活性。這些發(fā)現(xiàn)表明 FMRP-Wg-Dlp-MMP1 調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)在分泌的突觸基質(zhì)空間中相互作用，以控制依賴于活動的 NMJ 突觸發(fā)生。該機(jī)制的一個提示是 MMP2 在果蠅卵巢中切割 Dlp，使其不再充當(dāng) Wg 共受體。因此可以假設(shè) MMP2 依賴性 Dlp 加工可能會拮抗 MMP1-Dlp 相互作用，從而導(dǎo)致 脆性X綜合征 條件下的突觸后 Fz2-C 易位減少。雖然該機(jī)制需要進(jìn)一步研究，但這些研究表明 脆性X綜合征 突觸發(fā)生中的 Wnt 信號傳導(dǎo)失調(diào)，為尋求可能的治療提供了新的方向。

脆性 X 綜合征基因檢測入個性化治療的下一步工作安排

突觸處依賴 FMRP 的 BMP/ILP/Wnt 信號傳導(dǎo)

脆性 X 綜合征的基因解碼基因檢測研究回顧并討論了脆性 X 綜合征 (脆性X綜合征) 在不同發(fā)育階段，特別是在神經(jīng)系統(tǒng)中的 BMP、ILP 和 Wnt 分泌信號功能障礙。新發(fā)現(xiàn)表明，F(xiàn)MRP 在連接 BMP、ILP 和 Wnt 調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的核心作用，這些調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)在神經(jīng)回路重塑過程中介導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生、膠質(zhì)發(fā)生、突觸發(fā)生和神經(jīng)膠質(zhì)功能。為了研究這種 FMRP 依賴性信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)的突觸發(fā)生和神經(jīng)傳遞功能，果蠅谷氨酸能 NMJ 提供了一個有吸引力的模型來測試配體分泌、受體激活、共受體功能和下游第二信使級聯(lián)。對于 BMP 信令，一種新的非規(guī)范反式-突觸通路涉及突觸后 FMRP 和 Staufen RNA 結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)谷氨酸受體的 FERM Coracle 支架，通過突觸前 BMP 受體進(jìn)行通訊，以激活局部 Mad 磷酸化 (p-Mad) 并驅(qū)動突觸小結(jié)形成 。這種新的 FMRP-Staufen-Coracle-GluRIIA-BMPR-pMad 通路可增強(qiáng)神經(jīng)傳遞（圖1）。雖然突觸前末端的 FMRP-BMPR-LIMK1-cofilin 通路限制了 bouton 發(fā)育的機(jī)制，但研究相對較好，但脆性X綜合征基因解碼基因檢測不知道突觸后 FMRP 如何通過BMP 受體誘導(dǎo)跨突觸信號傳導(dǎo). 盡管有充分的證據(jù)表明 pMad 在突觸后 FMRP 去除后會在突觸前活動區(qū)周圍積聚，但 pMad 被誘導(dǎo)并與其他相互作用物一起調(diào)節(jié)突觸發(fā)生的機(jī)制仍有待研究。由于眾所周知 pMad 與輔助因子 Medea (Med) 一起用作轉(zhuǎn)錄因子 ，在靶向突觸后敲除 FMRP 后，繪制與突觸前 pMad-Med 相互作用調(diào)節(jié)的突觸發(fā)育相關(guān)的基因表達(dá)圖將會很有趣。

大量研究表明 BMP 信號傳導(dǎo)與胰島素信號傳導(dǎo)雙向相互作用以調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、生長和程序性死亡。在果蠅運(yùn)動神經(jīng)元中，胰島素信號傳導(dǎo)還通過真核起始因子 4e 結(jié)合蛋白 (4eBP) 翻譯抑制劑的 FOXO 依賴性調(diào)節(jié)負(fù)調(diào)節(jié)突觸前神經(jīng)遞質(zhì)釋放 。測試突觸前 FMRP 是否作用于 PTEN-PI3K-pAkt-FOXO 通路的上游以控制這種功能性分泌機(jī)制是很重要的。賊近還報(bào)道了 FMRP 在小鼠 脆性X綜合征 模型中調(diào)節(jié)活性依賴性大量內(nèi)吞作用 (ADBE)，這表明需要進(jìn)一步測試突觸小泡循環(huán)和運(yùn)輸機(jī)制。在幼蟲果蠅NMJ 的突觸后側(cè)，InR 介導(dǎo)的信號通過鳥嘌呤核苷酸交換因子 dPix 促進(jìn)突觸發(fā)育 (Dlg) 支架募集到肌肉突觸網(wǎng) (SSR)。新的證據(jù)表明突觸后 FMRP 限制了突觸前小結(jié)的形成（圖1)，突觸后 FMRP-BMP-ILP 網(wǎng)絡(luò)可能通過分泌的配體和受體激活來調(diào)節(jié) NMJ 的生長擴(kuò)張。進(jìn)一步擴(kuò)大這種相互作用，脆性X綜合征 疾病模型中的 NMJ Wnt (Wg) 信號可能也與這個網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。在dfmr1基因突變中，突觸前 Wg 分泌升高，但脆性X綜合征基因解碼基因檢測還不知道這種增加的分泌是否受突觸前 FMRP、突觸后 FMRP 或可能兩者兼而有之。雖然突觸后 FMRP 被懷疑參與切割的 Fz2-C 細(xì)胞內(nèi)易位或降解，但這種參與仍然是推測性的。繼續(xù)探索 FMRP 依賴的跨突觸信號機(jī)制控制仍然是一個高度優(yōu)先事項(xiàng)。

神經(jīng)元到膠質(zhì)細(xì)胞通信中依賴 FMRP 的 BMP/ILP/Wnt 信號傳導(dǎo)

多個依賴 FMRP 的分泌信號可能在大腦發(fā)育和電路重塑中介導(dǎo)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)之間的細(xì)胞間通訊（圖 2）。在 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 中，BMP 調(diào)節(jié)神經(jīng)元代謝、突觸可塑性、血腦屏障功能和細(xì)胞死亡。小鼠 BMP2-10 廣泛分布于整個大腦，而 BMP11-15 尚未得到很好的研究。果蠅在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的BMP 配體（Dpp、Gbb、Scw）的特征沒有進(jìn)行明確確描述，但可能表現(xiàn)出類似的穩(wěn)健分布。在小鼠和果蠅中，多份報(bào)告表明，BMP 信號在神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育、損傷后的神經(jīng)重塑和衰老過程中的通訊中發(fā)揮著重要作用。然而，尚未研究 BMP 信號在 脆性X綜合征 疾病模型的 中樞神經(jīng)系統(tǒng) 中的作用。在果蠅脆性X綜合征 模型中，神經(jīng)元中需要 FMRP，而不是神經(jīng)膠質(zhì)，用于腦時(shí)鐘電路重塑過程中的神經(jīng)膠質(zhì)吞噬作用（圖 2）。FMRP 結(jié)合果蠅BMPR2 同源物 Wit mRNA 以抑制翻譯，表明它可能會限制受體側(cè)的 BMP 信號傳導(dǎo)。FMRP 還可以調(diào)節(jié)分泌的“找到我”或“吃掉我”信號，以影響成人腦回路重塑過程中的神經(jīng)元清除（圖 2）。在這個假設(shè)中，神經(jīng)膠質(zhì)分泌的 BMP 是否有可能反饋到神經(jīng)元 FMRP 調(diào)節(jié)的吞噬信號？此外，F(xiàn)MRP 的缺失會增加神經(jīng)元中的 pMad 信號傳導(dǎo)，并且減少的神經(jīng)元 pMad 可能會損害 脆性X綜合征 模型中神經(jīng)膠質(zhì)依賴性神經(jīng)元的清除。測試可能的膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用的 FMRP-pMad 機(jī)制將很重要。

FMRP 依賴性胰島素和 Wnt 信號在神經(jīng)元-膠質(zhì)細(xì)胞通訊中的作用剛剛開始研究。懷疑神經(jīng)分泌的 ILP 會激活神經(jīng)膠質(zhì)吞噬以清除神經(jīng)元。然而，尚不清楚分泌的 ILP 信號是“找到我”還是“吃掉我”信號，激活了神經(jīng)膠質(zhì) InRs（圖 2）。損傷后神經(jīng)元清除以及限制壽命延長需要果蠅在鞘狀膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞樣膠質(zhì)細(xì)胞中的InRs。在小鼠中，星形膠質(zhì)細(xì)胞中的 InR 缺乏會導(dǎo)致異常的形態(tài)、線粒體功能和電路連接。在果蠅中，激活的神經(jīng)膠質(zhì) InRs 下游的信號傳導(dǎo)促進(jìn) Akt 磷酸化，這對于 Draper 吞噬受體表達(dá)至關(guān)重要 。這些發(fā)現(xiàn)提供了令人興奮的提示，即神經(jīng)元 FMRP 可能通過促進(jìn) Draper 表達(dá)來促進(jìn) ILP 分泌以激活膠質(zhì)細(xì)胞吞噬功能，這也可以激活膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)元 FMRP 控制的“吃我”信號作出反應(yīng)（圖 2）。整合擬議的激活 Draper 的神經(jīng)元“吃我”配體的作用非常重要，例如磷脂酰絲氨酸 (PS) 和 Pretaporter 。此外，Wnt 信號也可能在 脆性X綜合征 模型中的神經(jīng)元-膠質(zhì)細(xì)胞通訊中發(fā)揮作用。也許脆性X綜合征基因解碼基因檢測可以從神經(jīng)退行性疾病模型中了解神經(jīng)元膠質(zhì)細(xì)胞 Wnt 信號？例如，小鼠帕金森病 (PD) 模型顯示 Wnt/β-連環(huán)蛋白通路在星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)炎癥、神經(jīng)線粒體功能障礙、多巴胺能神經(jīng)保護(hù)和氧化應(yīng)激的反應(yīng)中發(fā)揮核心作用。同樣，測試神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞 Wnt (Wg) 信號級聯(lián)在 脆性X綜合征 模型中的可能作用也很重要。脆性X綜合征基因解碼基因檢測需要探索 Wnt 信號如何與分泌的 BMP 和 ILP 信號協(xié)同工作以調(diào)節(jié)腦回路重塑過程中的膠質(zhì)細(xì)胞吞噬作用。大量研究表明，Wnt 和 BMP 信號雙向調(diào)節(jié)胰島素依賴網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)發(fā)育穩(wěn)態(tài)。BMP-Wnt 交叉相互作用也有助于維持生理過程。然而，很難在此信號中定義上游和下游角色。盡管 FMRP 在所有三個信號級聯(lián)中都有許多直接靶標(biāo)，但迫切需要分析重疊的核心靶標(biāo)以指導(dǎo) 脆性X綜合征 動物模型和臨床試驗(yàn)的藥物設(shè)計(jì)。迫切需要確定治療方法來對抗 脆性X綜合征 患者的破壞性神經(jīng)損傷。

Front Cell Dev Biol. 2022; 10: 934662.

Published online 2022 Jul 6. doi: 10.3389/fcell.2022.934662

Dysregulation of BMP, Wnt, and Insulin Signaling in Fragile X Syndrome