内质网应激通过PERK通路介导轴突起始段缩短：糖尿病脑并发症的新机制

《Journal of Molecular Neuroscience》：Endoplasmic Reticulum Stress Mediates Axon Initial Segment Shortening: Implications for Diabetic Brain Complications

本刊推荐：为解决2型糖尿病(T2DM)相关认知障碍的机制问题，研究人员开展了内质网应激(ER stress)介导轴突起始段(AIS)缩短机制的研究。通过体外实验发现，糖尿病因子甲基乙二醛(MG)通过激活PERK通路诱导AIS缩短，而ER stress抑制剂4PBA和PERK特异性抑制剂GSK2606414能有效阻止这一过程。该研究首次揭示ER stress-PERK通路是AIS可塑性调控的关键机制，为糖尿病脑并发症提供了新的治疗靶点。

　　

当全球数亿2型糖尿病患者即使在严格控糖情况下仍面临认知功能下降风险时，科学家们开始探寻血糖控制之外的神经病理机制。近年研究发现，糖尿病大脑中存在一种微妙但重要的结构变化——轴突起始段缩短。这个位于神经元胞体附近的特殊结构，犹如神经元的"点火开关"，通过聚集电压门控钠通道来启动动作电位。即使微米级的长度变化，也足以改变神经元的兴奋性，进而影响神经网络功能。

在糖尿病模型db/db小鼠的前额叶皮层中，研究人员观察到轴突起始段明显缩短，同时伴随内质网应激标志物升高。内质网作为细胞的蛋白质合成工厂，在糖尿病相关因子如甲基乙二醛的刺激下，会发生功能紊乱，引发未折叠蛋白反应。其中PERK通路作为内质网应激的三大感受器之一，在神经退行性疾病中扮演重要角色。那么，内质网应激是否就是连接糖尿病与轴突起始段缩短的关键桥梁？

为回答这一问题，研究人员在《Journal of Molecular Neuroscience》上发表了最新研究成果。他们利用原代小鼠皮质神经元培养体系，通过精细的分子细胞生物学技术，揭示了内质网应激-PERK通路在轴突起始段缩短中的核心作用。

关键技术方法包括：原代小鼠皮质神经元培养（使用C57BL/6J小鼠P0皮质或E18皮质细胞）、药物处理（甲基乙二醛、衣霉素、4PBA、GSK2606414）、Western blot检测GRP78表达、免疫荧光染色分析轴突起始段形态（使用AnkyrinG和BIV spectrin标记）、活死细胞染色评估细胞毒性、以及磷酸化PERK/总PERK比值定量分析。

甲基乙二醛诱导的轴突起始段缩短与内质网应激相关

研究发现，糖尿病相关因子甲基乙二醛以浓度依赖方式显著增加内质网应激标志物GRP78的表达。100μM甲基乙二醛处理24小时后，皮质神经元中GRP78蛋白水平明显上调，同时伴随轴突起始段长度缩短15.2%。这一现象与db/db小鼠大脑中的改变高度一致，提示内质网应激可能参与糖尿病条件下的轴突起始段缩短。

内质网应激抑制阻止甲基乙二醛诱导的轴突起始段缩短

通过使用内质网应激抑制剂4-苯基丁酸钠(4PBA)，研究人员证实了内质网应激在轴突起始段缩短中的必要性。4PBA作为化学分子伴侣，能够减轻内质网的蛋白质负荷。实验显示，4PBA单独处理不影响轴突起始段长度，但能完全阻止甲基乙二醛诱导的轴突起始段缩短。更重要的是，甲基乙二醛处理使磷酸化PERK与总PERK比值显著升高131%，而4PBA共处理可逆转这一变化。轴突起始段长度与P-PERK/PERK比值呈显著负相关，进一步证实内质网应激与轴突起始段缩短的因果关系。

低剂量衣霉素不诱导小鼠皮质培养物细胞死亡

为研究内质网应激对轴突起始段的直接影响，团队选用内质网应激诱导剂衣霉素。通过活死细胞染色验证，0.25-1.0μg/mL衣霉素处理24小时不会显著影响神经元存活率，确保后续观察到的轴突起始段改变并非细胞死亡所致。

内质网应激诱导剂衣霉素引起剂量依赖性、可逆的轴突起始段缩短

衣霉素以浓度依赖方式诱导轴突起始段缩短，0.25μg/mL即可产生与db/db小鼠大脑中观察到的相似程度的缩短（19.5%）。这种缩短在3小时内即可检测到，且具有可逆性——撤药24小时后轴突起始段长度恢复正常。累积频率分布显示衣霉素引起广泛的轴突起始段缩短，而非仅影响特定神经元亚群。

衣霉素在兴奋性和抑制性神经元中均诱导轴突起始段缩短

通过CaMKIIα免疫染色区分神经元类型，研究发现衣霉素在兴奋性神经元（CaMKIIα阳性）和抑制性神经元（CaMKIIα阴性）中均引起显著轴突起始段缩短，且缩短程度相当。这表明内质网应激对轴突起始段的影响具有普遍性，不限于特定神经元类型。

衣霉素不改变轴突起始段起始位置

除长度外，轴突起始段起始位置与胞体的距离也是调节神经元兴奋性的重要因素。测量显示衣霉素处理不影响轴突起始段起始位置，这一发现与db/db小鼠和甲基乙二醛处理神经元中的观察一致，表明内质网应激特异性影响轴突起始段长度而非位置。

PERK抑制阻止衣霉素诱导的轴突起始段缩短

通过PERK特异性抑制剂GSK2606414，研究证实PERK通路在内质网应激诱导的轴突起始段缩短中的关键作用。衣霉素单独处理引起轴突起始段显著缩短，而与GSK2606414共处理则完全阻止这一效应，表明PERK通路是内质网应激下游介导轴突起始段可塑性的核心分子途径。

本研究首次建立内质网应激-PERK通路与轴突起始段可塑性之间的直接联系，为理解糖尿病脑并发症提供了新视角。轴突起始段缩短可能通过降低神经元兴奋性贡献于认知功能障碍，而这一过程在非致死性内质网应激条件下是可逆的，为早期干预提供了时间窗口。PERK通路作为关键中介因子，为开发靶向治疗策略指明了方向。

研究结果不仅适用于糖尿病脑并发症，对阿尔茨海默病、脑损伤、神经病理性疼痛等多种伴随轴突起始段改变的神经系统疾病均有启示意义。这些疾病中均观察到内质网应激的参与，提示内质网应激-轴突起始段轴可能是神经退行性疾病的共同机制。未来研究需要进一步阐明PERK通路下游的具体分子事件，以及轴突起始段缩短对神经网络功能的精确影响，为临床转化提供更坚实的理论基础。