MEF2C增强子突变通过线粒体功能障碍导致运动神经元损伤的机制研究

本期推荐：韩国科学技术研究院团队揭示ALS新机制

　　

在神经退行性疾病研究领域，肌萎缩侧索硬化症(ALS)始终是科学家们亟待攻克的难题。这种被称为"渐冻症"的疾病以运动神经元进行性死亡为特征，患者最终会丧失所有运动能力。尽管约10%的ALS病例与SOD1、C9ORF72等基因突变相关，但绝大多数散发病例的病因仍不明确。更令人困惑的是，全基因组关联研究(GWAS)发现的大量风险位点位于非编码区，这些区域如何通过表观遗传调控影响疾病进程成为关键科学问题。

韩国科学技术研究院的Ali Yousefan-Jazi、Hoon Ryu和波士顿大学的Junghee Lee领衔的研究团队在《Molecular Neurodegeneration》发表重要成果。研究人员首先采用创新的卷积神经网络(CNN)算法，对超过2万名ALS患者的GWAS数据与精神分裂症(SCZ)数据进行联合分析，基于两种疾病14.3%的遗传相关性，筛选出MEF2C基因内含子区的功能性SNP rs304152。这个位于增强子区域的突变位点，在ALS患者和SOD1-G93A小鼠模型中均表现出MEF2C表达下降的特征。

研究团队运用CRISPR-Cas9技术在HEK293T细胞中精确引入rs304152突变等位基因，通过双荧光素酶报告系统证实该突变削弱了ATF4转录因子与增强子的结合能力。染色质免疫沉淀(qPCR)进一步显示，突变型增强子的ATF4占有率显著降低。在细胞模型中，突变导致MEF2C表达量下降50%，伴随线粒体编码基因ND4转录减少、膜电位降低和ATP产量下降。令人惊讶的是，免疫电镜和亚细胞分级实验首次揭示MEF2C定位于运动神经元线粒体，并能直接结合mtDNA调控ND2、ND4、ND5等基因表达。

为验证体内效应，研究人员通过立体定位注射将AAV-shMef2c病毒递送至小鼠皮层第五层运动神经元。电镜分析显示突变小鼠线粒体出现明显碎片化，免疫组化检测到DRP1蛋白向线粒体转位增加。这些病理改变导致运动神经元体积缩小和TDP-43蛋白异常胞质聚集。行为学测试发现，基因敲除小鼠表现出进行性运动协调障碍，包括后肢伸展异常、步幅缩短等ALS典型症状。电生理记录则显示皮层运动神经元兴奋性异常增高，这与临床ALS患者的特征高度一致。

关键技术方法包括：1)基于GWAS数据库训练CNN模型预测功能性SNP；2)CRISPR-Cas9构建rs304152突变细胞系；3)双荧光素酶报告系统和ChIP-qPCR验证增强子-启动子互作；4)AAV-U6载体介导的shRNA小鼠模型；5)海马分析仪检测细胞耗氧率；6)计算机辅助步态分析系统。

主要研究结果：
"Identification and biological characterization of ALS risk-SNPs"部分：通过CNN模型分析发现rs304152位于MEF2C增强子区，与SCZ共享遗传风险，GTEx数据显示风险等位基因导致MEF2C表达降低。

"Mutation in the enhancer of MEF2C, rs304152, reduces MEF2C mRNA transcription by impairing ATF4 transcription factor binding"部分：证实rs304152-G等位基因削弱ATF4结合能力，使MEF2C启动子活性降低40%，且无法响应内质网应激激活。

"Enhancer mutation,rs304152,impaired MEF2C transcription and mitochondrial function"部分：突变细胞线粒体膜电位下降15%，ATP产量减少17%，氧化应激标志物MitoSox增加2倍。

"MEF2C targets mitochondria genome and regulates mitochondria function"部分：ChIP实验证实MEF2C直接结合ND2/ND4/ND5基因，敲除后这些基因表达量下降60-70%。

"In vivo knockdown of Mef2c induces mitochondria dysfunction, motor neuronal damage, and altered excitability in mice"部分：小鼠模型显示线粒体平均体积减小35%，运动神经元兴奋性放电频率增加80%。

"Mef2c-KD exhibits motor neuron disease-like behaviors in mice"部分：基因敲除小鼠步幅长度缩短25%，后肢肌力下降40%，呈现进行性运动功能障碍。

这项研究首次阐明了MEF2C在维持运动神经元线粒体功能中的核心作用，揭示了非编码突变通过"增强子突变-MEF2C下调-线粒体功能障碍-神经元损伤"的级联反应导致ALS的分子机制。特别值得注意的是，MEF2C既能直接调控线粒体基因组转录，又能通过核编码基因(如TFAM、DRP1)间接影响线粒体动力学，这种双重调控功能为理解神经退行性疾病的能量代谢障碍提供了新视角。研究成果不仅为ALS的早期诊断提供了潜在生物标志物(如MEF2C亚细胞定位异常)，更为开发靶向表观遗传-代谢轴的治疗策略奠定了理论基础。鉴于MEF2C在多种神经精神疾病中的重要作用，该发现还可能对阿尔茨海默病、自闭症等疾病的机制研究产生广泛影响。