研究方向1、中枢神经系统成熟神经元轴突内响应损伤应激后能量缺损的信号通路研究

      有别于外周神经系统神经元，中枢神经系统神经元一旦受到损伤将很难再生。神经元轴突损伤再生过程需要经历如细胞器运输、细胞膜修复、蛋白质合成、细胞骨架再组织等多个细胞事件，需要消耗大量ATP。然而中枢神经系统神经元成熟后轴突线粒体运动缓慢，加之轴突损伤后轴突线粒体的完整性与双向运输出现异常，受损的轴突将因为局部能量失衡导致再生失败，甚至轴突退化、死亡，造成永久性的生理功能缺陷。此外，在外周神经系统神经元中，轴浆蛋白合成信号可以快速响应损伤应激，在轴浆中直接开启蛋白合成帮助神经再生。然而在中枢神经系统神经元中，类似的调节机制还尚不清楚。因此，研究中枢神经系统神经元轴突如何响应能量缺损，开启轴浆蛋白合成信号从而维持线粒体稳态的分子机制，可以作为促进中枢神经系统轴突再生的潜在靶点。

      1）利用微流装置在体外分别建立了模拟脑缺血以及轴突损伤的应激模型。结合翻译组学测序分析与嘌呤霉素-邻位连接技术（Puro-PLA）后发现，轴突受到两种不同的应激后，神经元特异性激酶PAK5在轴浆中的蛋白合成明显增加；2）使用荧光探针GO-ATeam2对轴浆中的ATP水平进行实时检测，发现激活AKT-PAK5信号通路能够显著恢复损伤轴浆内的能量稳态；3）在成熟的中枢神经系统神经元、DRG神经元以及离体的成熟小鼠坐骨神经束等三个不同的系统中激活AKT-PAK5信号，轴突线粒体的双向运输明显增加；4）在体外两种不同的损伤模型中激活AKT-PAK5通路，促进健康的线粒体被运送至受损部位，保障受损神经元轴突的存活与再生；5）通过注射腺病毒激活PAK5通路，发现该通路可以促进小鼠脊髓损伤后轴突再生。Curr Biol. (2021, 31(14): 3098-3114，同刊发表评述文章进行报道）（图1）

图1. 增强神经元轴突线粒体运输促进能量代谢与神经再生

研究方向2：少突胶质细胞与神经元轴突之间代谢信号传导通路研究

      神经退行性疾病是一类由神经元功能和结构丧失所导致的认知障碍的统称，在包括帕金森氏症、阿尔兹海默症在内的神经退行性疾病中均发现了能够造成轴突线粒体功能、运输、质量控制缺陷的基因突变。此外，一些神经退行性疾病中蛋白的异常堆积也会影响到线粒体的完整性和运输能力。这些线粒体的异常将造成轴突末梢能量的慢性亏损，并在神经退行性疾病发病的早期影响突触功能，最终导致突触前末梢、轴突结构退化。少突胶质细胞是中枢神经系统中的一类神经胶质细胞，可形成髓鞘包裹中枢神经系统神经元的轴突，但其在生理、病理状态下调控轴突内能量代谢的机制尚不清楚。近年来研究发现，轴突线粒体功能异常和轴突去髓鞘化是渐冻症、脊索硬化症等神经退行性疾病发病早期的共同特征，暗示着轴突退化、轴突能量失衡与少突胶质细胞功能异常之间存在潜在关联。研究三者之间的联系有助于系统地揭示神经退行性疾病发生发展的分子机制，为临床治疗提供新靶点、新思路。

      1）借助微流装置将少突胶质细胞与神经元轴突共培养，发现共培养情况下神经元轴突线粒体的ATP产量显著增加；2）发现少突胶质细胞通过分泌外泌体，向神经元轴突中传递能量代谢信号，维持轴突线粒体的正常功能；3）在体内、外体系中均发现少突胶质细胞外泌体包含的去乙酰化酶SIRT2能有效地调节轴突线粒体蛋白ANT1/2的乙酰化修饰，从而影响线粒体功能与轴浆内的能量代谢；4）通过体外纯化少突胶质细胞的外泌体，并注射进入线粒体缺陷小鼠的脊髓部位，发现脊髓轴突束中线粒体的完整性明显回复。Neuron (2021, 109(21): 3456-3472，同刊发表评述文章进行报道）（图2）

图2. 少突胶质细胞维持神经元轴突线粒体的代谢功能

研究方向3：细胞骨架组装调控与个体发育研究

      中心体是哺乳动物细胞中重要的微管组织中心，用于保障细胞结构的稳定与有丝分裂的顺利进行。初级纤毛是一种由微管及其附属结构蛋白所组成的不具有运动功能的细胞器，它利用“天线”状的结构，感知和传导在发育和维持稳态过程中不同种类的信号。近年来的研究表明，中心体与纤毛在结构和功能方面的缺陷会导致如脑发育畸形、视网膜退化等遗传性神经系统疾病；与其他细胞器的研究相比，对于中心体、纤毛功能的研究还处于非常初级的阶段。虽然一些可定位于中心体与纤毛的蛋白陆续被发现，但这些蛋白的具体功能，以及保障胚胎正常发育的分子机制尚不清楚。

      1）通过结合高内涵显微成像以及基因编辑技术，成功筛选出了纤毛生长的负向调控因子MPP9。mpp9基因敲除小鼠脑室与肾脏中纤毛生长比例异常增高，并且在发育阶段出现如脑积水、等典型的纤毛相关疾病表型。该发现对于纤毛功能与胚胎发育的研究具有重要指导意义，可以作为新生儿基因筛查的全新靶标。Nat Commun. (2018, 9(9): 4511)；2）通过蛋白质谱技术成功鉴定出了两个尚未报道的母中心粒附属结构蛋白CCDC68与CCDC120，并提出了母中心粒亚远端附属结构阶梯式招募的组装模型，揭示了中心体作为微管组织中心在锚定微管、维持细胞形态方面的重要分子机制。该研究成果发表于综合类期刊Nat Commun. (2017, 8(8): 15057，获得Faculty Opinions (F1000Prime)推荐)；3）发现LRRC45-CCDC102B蛋白复合体定位于两个中心粒的近端，可形成纤维状结构连接两个中心粒。在有丝分裂起始时期，LRRC45-CCDC102B复合体从中心体移除，从而释放中心体，保障双极纺锤体的形成。此项工作发表于细胞生物学领域期刊Cell Rep. (2013, 4(6): 1100-1107， J Cell Sci. (2018, 131(23))。（图3）

图3. 中心体、纤毛蛋白复合体调控细胞骨架和个体发育