FasII（NCAM1）在肌强直性营养不良1型果蝇模型中通过突触前后协同上调介导神经病理表型

《Nature Communications》：Pre- and postsynaptic upregulation of FasII synergistically underlies neuropathological and behavioral phenotypes in a Drosophila model of myotonic dystrophy

本研究针对肌强直性营养不良1型（DM1）神经突触病变机制不明的难题，通过构建表达未翻译扩展CUG重复序列的果蝇模型，发现突触前后细胞中细胞黏附分子FasII（哺乳动物中为NCAM1）的协同上调是导致神经肌肉接头（NMJ）形态异常、突触传递功能障碍及幼虫运动缺陷的关键因素。通过基因干预手段敲低fasII或过表达特定FasII亚型可有效逆转病理表型，揭示了DM1神经病理的新机制，为靶向干预提供了理论依据。

　　

肌强直性营养不良1型（DM1）作为一种多系统受累的遗传性疾病，不仅表现为进行性肌强直和肌肉萎缩，还常伴随中枢及周围神经系统的功能异常。尽管其致病机制——DMPK基因3'非翻译区CTG三核苷酸重复扩展——已被阐明数十年，但DM1相关的神经病理变化机制仍是研究中的薄弱环节。尤其令人困惑的是，携带扩展CUG重复的RNA如何干扰神经元和突触的功能，进而导致认知障碍、运动缺陷等临床表现？这一科学难题亟待深入探索。

为了解开这一谜题，研究团队选择以黑腹果蝇的幼虫神经肌肉接头（NMJ）为模型系统。这一选择并非偶然：果蝇NMJ具有结构清晰、易于遗传操作和实时观察的特点，是研究突触发育和功能的理想平台。更重要的是，该模型允许研究者独立操控突触前运动神经元和突触后体壁肌肉的基因表达，为剖析DM1中细胞特异性贡献提供了独特优势。研究人员在突触前（使用C380-Gal4驱动子）、突触后（C57-Gal4）或两者同时表达含有480次CUG重复的序列（CUG₄₈₀），并与仅含60次重复的对照序列（CUG₆₀）进行比较。

研究发现，只有当CUG₄₈₀在突触前后同时表达时，果蝇三龄幼虫NMJ的突触小结数量才出现显著减少。高分辨率成像进一步揭示了突触树枝状结构的解体现象——成熟的突触小结从神经末梢上脱落，其 postsynaptic density（PSD）标志物Discs large（DLG）仍残留在肌肉膜上，表明这是一种突触结构的主动解离而非单纯的发育迟缓。

在功能层面，电生理记录显示突触前表达CUG₄₈₀使微型兴奋性突触后电位（mEPSP）和兴奋性突触后电位（EPSP）振幅增加，而突触后表达则产生相反效应。当两者共同表达时，EPSP振幅和量子含量（QC）显著升高，提示突触传递功能出现协同性紊乱。行为学实验表明，突触前后同时表达CUG₄₈₀的幼虫爬行能力受损最为严重。

机制探索中，研究团队将焦点投向细胞黏附分子Fasciclin II（FasII，即哺乳动物的NCAM1）。半定量RT-PCR和蛋白质印迹结果显示，在果蝇幼虫和成体的中枢神经系统及肌肉中，CUG₄₈₀表达均引起fasII转录本和蛋白水平的上调。更重要的是，这一现象在DM1模型小鼠（DMSXL小鼠）的脊髓、胫骨前肌以及DM1患者额皮质和转分化肌管中得到验证，凸显了其跨物种保守性。

为确认FasII上调的功能意义，研究人员在DM1模型果蝇中敲低fasII。结果显示，利用UAS-Total-FasII-RNAi或可同时靶向FasII-A和FasII-C亚型的UAS-FasII-A&C-RNAi进行干预，均可有效挽救突触小结减少和运动缺陷表型。相反，仅敲低FasII-A亚基则无此效果，提示FasII-C可能扮演关键角色。

进一步的实验证实了这一推测：在正常果蝇中突触前后过表达FasII-C（一种缺乏胞质域的GPI锚定亚型），可完美模拟DM1模型的NMJ形态异常（小结减少、树枝结构解体）和运动功能障碍。电生理记录显示，FasII-C过表达导致mEPSP振幅、EPSP振幅、量子含量和mEPSP频率全面下降，突显其突触毒性。

最终，功能挽救实验表明，在DM1背景中过表达FasII-C会加剧病理表型，而过表达含胞质域的FasII-A-PEST+亚型则能有效逆转突触和行为缺陷。这表明恢复FasII亚型的正常比例可能成为缓解DM1神经症状的潜在策略。

本研究主要关键技术包括：利用GAL4/UAS和LexA/LexAop双系统实现果蝇组织特异性基因表达操控；通过免疫组织化学染色和共聚焦显微镜进行NMJ形态定量分析；采用幼虫爬行行为学实验评估运动功能；利用sharp电极记录技术分析NMJ突触传递电生理特性；通过半定量RT-PCR、slot blot和定量dot blot检测基因和蛋白表达水平；使用荧光原位杂交（FISH）观察RNA核焦点形成。人类样本来源包括DM1患者额皮质组织（经伦理审批获取）及皮肤成纤维细胞转分化的肌管模型。

研究结果分析

同时突触前后表达扩展CUG重复引起神经肌肉表型

通过对比不同发育阶段和表达组合，本研究明确CUG₄₈₀诱导的突触表型需要突触前后的协同作用。三龄幼虫阶段才出现的突触小结减少伴随树枝结构解体，表明病理过程涉及成熟突触的退化而非仅发育障碍。

FasII/NCAM1在DM1模型和患者中上调

在果蝇模型及DMSXL小鼠、DM1患者的神经和肌肉组织中，均检测到FasII/NCAM1蛋白水平升高，且果蝇中三个主要亚型（FasII-A-PEST+、FasII-A-PEST-和FasII-C）转录本均上调，说明这是一种保守的分子事件。

敲低fasII挽救果蝇DM1模型的NMJ表型

基因干预实验证明，降低FasII表达可逆转DM1模型的突触形态和行为缺陷，且挽救效应依赖于对FasII-C的抑制，突显该亚型在病理中的核心地位。

过表达FasII-C重现DM1模型的NMJ形态和行为缺陷

FasII-C的突触前后协同过表达不仅复制了DM1模型的形态表型，还引起更广泛的突触传递功能抑制，说明其过度表达足以破坏突触稳定性。

同时突触前后过表达FasII-C协同损害NMJ突触传递

电生理数据揭示FasII-C过表达对突触功能的全面抑制，且突触前后共同表达产生协同效应，与CUG₄₈₀表达导致的混合性电生理变化形成对比，提示DM1模型中可能并存FasII不同亚型的复杂调控。

过表达FasII-C加剧而FasII-A挽救果蝇DM1模型表型

功能增强与挽救实验证实，FasII-C是致病因素，而含胞质域的FasII-A-PEST+具有保护作用，表明病理机制与不同亚型功能失衡密切相关。

结论与展望

本研究发现DM1中扩展CUG重复通过上调FasII/NCAM1，特别是缺乏胞内信号域的FasII-C亚型，破坏突触前后黏附信号平衡，最终导致突触结构解体和功能紊乱。这一机制在果蝇、小鼠和人类样本中均得到验证，奠定了其生物学普遍性。研究不仅揭示了DM1神经病理的新机制，更提出通过调节细胞黏附分子亚型比例以恢复突触功能的治疗新思路。尽管NCAM1在哺乳动物中的调控网络更为复杂，但本研究为理解DM1及相关神经退行性疾病的突触病变提供了关键理论基础，也为未来开发靶向NCAM1亚型的干预策略指明了方向。