探究PSMC5基因在神经发育蛋白酶体病中的神经元作用：从基因变异到分子机制与治疗展望

《Nature Communications》：Investigating the neuronal role of the proteasomal ATPase subunit gene PSMC5 in neurodevelopmental proteasomopathies

本研究针对神经发育蛋白酶体病（NDPs）的致病机制，聚焦于26S蛋白酶体ATP酶亚基PSMC5/Rpt6的基因变异。通过对44名携带26种PSMC5变异的患者进行多组学分析，结合果蝇、大鼠神经元及iPSC模型，发现PSMC5功能缺失会导致蛋白酶体活性受损、蛋白质稳态失衡、线粒体功能障碍、脂代谢异常和自发性I型干扰素反应，并引起兴奋/抑制突触失衡。研究首次揭示整合应激反应（ISR）激酶PKR和GCN2在介导蛋白酶体功能障碍与先天免疫激活间的分子联系，为NDPs的治疗提供了潜在靶点。

　　

在我们身体的每个细胞中，都有一个精巧的蛋白质质量控制系统——泛素-蛋白酶体系统（UPS），它如同一个高效的“回收站”，专门负责清除错误折叠或受损的蛋白质。26S蛋白酶体作为该系统的核心执行者，由20S核心颗粒和19S调节颗粒组成，其中19S基部的六个ATP酶亚基（Rpt1-6）负责识别、去泛素化和展开底物蛋白。近年来研究发现，蛋白酶体亚基基因变异会导致一类被称为神经发育蛋白酶体病（NDPs）的罕见疾病，主要表现为中枢神经系统发育异常。与以自身炎症为特征的蛋白酶体相关自身炎症综合征（PRAAS）不同，NDPs更易影响神经发育过程。

尽管已有研究表明PSMD12、PSMC3等蛋白酶体亚基变异与NDPs相关，但作为神经元特异性蛋白酶体活性调节因子的PSMC5（又称Rpt6）在神经发育中的作用尚不明确。PSMC5可通过CaMKIIα介导的磷酸化动态调节蛋白酶体在树突棘中的定位和活性，是连接神经元活动与蛋白质降解的关键分子。为揭示PSMC5变异导致神经发育异常的机制，研究人员开展了多学科交叉研究。

研究人员首先在44名患有综合征性神经发育障碍的个体中鉴定出26个PSMC5基因变异，其中绝大多数为错义变异（19/26），且主要聚集在AAA+ ATP酶结构域。患者均表现出神经发育异常（95%有全面发育迟缓），并伴有面部特征异常（80%）、视力问题（73%）、骨骼畸形（62%）等多系统症状。值得注意的是，c.973C>T p.(Arg325Trp)等 recurrent 变异与更严重的表型相关。

为阐明变异致病机制，团队运用果蝇模型发现神经元特异性敲低Rpt6（PSMC5在果蝇中的直系同源物）虽不影响基本嗅觉学习，但显著损害反向学习能力，且攀爬能力随年龄增长明显下降。在大鼠海马神经元中，Psmc5敲低导致泛素化蛋白聚集、线粒体稳态失衡，并特异性减少兴奋性突触（vGlut⁺）而非抑制性突触（vGat⁺）数量，造成兴奋/抑制（E/I）平衡失调。

对患者来源T细胞的蛋白质组学分析进一步揭示了PSMC5变异的深层影响：脂质代谢紊乱表现为膜磷脂（如磷脂酰丝胺酸PS、磷脂酰乙醇胺PE）水平下降而胆固醇酯升高；线粒体蛋白质组异常伴随线粒体自噬增加；更引人注目的是自发激活的I型干扰素信号通路。机制研究表明，ISR激酶PKR和GCN2的激活是连接蛋白酶体功能障碍与干扰素反应的关键环节，而JAK抑制剂巴瑞替尼可有效抑制该信号通路。

利用CRISPR/Cas9技术构建的p.Arg325Trp变异iPSC模型显示，该变异虽不影响三胚层分化，但显著损害神经祖细胞（NPCs）的生成效率，SOX2⁺和Nestin⁺细胞比例分别下降10%和7%。这表明发育后期神经元分化阶段对蛋白酶体功能障碍尤为敏感。

研究采用的主要技术方法包括：全外显子组测序鉴定患者PSMC5变异；果蝇行为学分析（嗅觉学习、攀爬实验）；神经元形态学检测（Sholl分析、突触计数）；蛋白质组学（质谱分析蛋白酶体组装）；脂质组学（UHPLC-MS分析脂质谱）；转录组学（NanoString、RNA-seq）；iPSC定向分化与基因组编辑（CRISPR/Cas9引入点变异）；流式细胞术检测蛋白聚集和线粒体自噬。

PSMC5变异导致综合征性神经发育障碍

对44例患者的临床分析显示，PSMC5变异与全面发育迟缓（95%）、智力障碍（81%）、语言发育迟缓（92%）等神经发育异常显著相关。面部图像分析通过GestaltMatcher算法确认患者存在可识别的面部特征群。基因型-表型关联分析发现ATP酶结构域变异与更严重的多系统症状相关。

Psmc5敲低损害果蝇反向学习并改变大鼠神经元稳态

果蝇实验中，神经元特异性Rpt6敲低对基本学习无影响，但显著削弱反向学习能力，且攀爬能力随年龄加速衰退。大鼠海马神经元中Psmc5敲低引起泛素化蛋白聚集，并特异性减少兴奋性突触数量，导致E/I平衡失调。

PSMC5变异破坏蛋白质稳态和脂代谢并激活线粒体自噬

患者T细胞中可见明显的蛋白聚集体形成和高分子量泛素化蛋白积累。蛋白质组学显示线粒体蛋白表达紊乱，线粒体自噬增加。脂质组学分析发现膜磷脂水平显著下降，胆固醇酯升高50%，表明脂代谢严重失衡。

PSMC5变异触发I型干扰素反应

转录组分析发现患者T细胞中干扰素刺激基因（ISGs）显著上调。机制研究表明，PKR和GCN2激酶抑制剂可有效降低干扰素信号得分，证实ISR在介导该反应中的关键作用。JAK抑制剂巴瑞替尼也能显著抑制ISG表达，表明该通路存在自分泌/旁分泌机制。

p.Arg325Trp变异损害iPSC向神经祖细胞分化

iPSC模型显示，PSMC5 p.Arg325Trp变异虽不影响三胚层分化，但显著损害神经祖细胞生成，SOX2和Nestin阳性细胞比例明显降低。转录组分析发现变异组中HES1表达下调，胆固醇代谢相关基因MSMO1上调，提示神经分化早期调控机制受损。

本研究通过多模型系统揭示了PSMC5变异引起神经发育障碍的多元机制：不仅破坏蛋白酶体功能导致蛋白质稳态失衡，更引起脂代谢异常、线粒体功能障碍和自发免疫激活等次级效应。重要的是，研究发现ISR激酶（PKR/GCN2）是连接蛋白酶体损伤与I型干扰素反应的关键分子节点，为治疗干预提供了新靶点。这些发现不仅深化了对蛋白酶体在神经发育中作用的理解，也为相关疾病的诊断和治疗提供了新视角。

值得注意的是，PSMC5相关NDP与典型干扰素病（如Aicardi-Goutières综合征）及神经退行性疾病在分子特征上存在显著相似性，包括蛋白聚集、脂代谢紊乱、E/I平衡失调等。这表明蛋白酶体功能障碍可能是多种脑疾病共同的病理基础。未来针对ISR通路或脂代谢的干预策略可能对更广泛的神经精神疾病具有治疗价值。

该研究由Sébastien Küry、Stéphane Bézieau、Frédéric Ebstein和Elke Krüger共同领导，涉及法国、德国、加拿大等国的多个研究中心，成果发表于《Nature Communications》期刊，为神经发育障碍的精准医疗提供了重要理论基础。