组织蛋白酶B通过稳定PEG3调控大脑皮层发育缺陷与抑郁样行为的分子机制

本研究揭示了组织蛋白酶B(CatB)在皮层发育中的关键作用，研究人员通过构建CatB基因敲除小鼠模型，结合蛋白质组学分析和电生理记录等技术，发现CatB缺失通过破坏PEG3转录因子的稳定性，导致皮层第6层神经元迁移和分化异常，进而引发前额叶皮层-丘脑环路功能障碍和抑郁样行为。该研究为神经发育障碍相关精神疾病的机制研究提供了新思路。

　　

大脑皮层的发育是一个精密调控的过程，涉及神经发生、神经元迁移和环路形成等多个关键阶段。在这个过程中，任何细微的异常都可能导致严重的神经发育障碍和精神疾病。然而，作为溶酶体中重要的半胱氨酸蛋白酶，组织蛋白酶B(Cathepsin B, CatB)在大脑发育中的生理功能一直是个未解之谜。既往研究主要关注CatB在阿尔茨海默病等神经退行性疾病中的病理作用，对其在神经发育过程中的调控机制知之甚少。

北京理工大学的研究团队在《Communications Biology》发表的最新研究中，首次系统阐明了CatB通过稳定父系表达基因3(PEG3)调控皮层发育的分子机制。研究人员采用基因敲除小鼠模型，结合免疫荧光染色、蛋白质组学分析、电生理记录和行为学测试等多种技术手段，发现CatB缺失会导致皮层第6层发育缺陷，进而引发抑郁样行为。

研究首先通过Western blot和免疫荧光染色证实，CatB在小鼠胚胎期E12.5-E16.5的大脑皮层中高表达，特别是在皮层第6层。通过构建CatB基因敲除(CatB^-/-)小鼠，研究人员观察到这些小鼠的皮层第6层面积显著减小，神经元数量减少。体外实验进一步证明，CatB缺失会损害神经元迁移和神经突生长。令人惊讶的是，CatB^-/-小鼠表现出明显的抑郁样行为，包括在悬尾试验和强迫游泳试验中不动时间延长，以及蔗糖偏好降低。电生理记录显示，这些小鼠内侧前额叶皮层(mPFC)第6层神经元活动显著降低。

为阐明机制，研究人员通过蛋白质组学分析发现，CatB缺失影响了神经元迁移和轴突生长相关蛋白的表达，特别是显著降低了关键转录因子PEG3的表达。进一步实验证实，PEG3缺失同样会损害神经元迁移和发育。机制研究表明，CatB缺失通过损害自噬-溶酶体功能，增强泛素-蛋白酶体系统(UPS)活性，促进PEG3蛋白降解。在神经干细胞分化过程中，CatB抑制剂CA-074Me处理或PEG3 siRNA转染都会抑制神经元成熟和突触形成。

这项研究的重要发现包括：

1. 时空表达特征：发现CatB在胚胎期E12.5-E16.5皮层发育关键期高表达，特别是在皮层第6层。
2. 表型分析：CatB缺失导致皮层第6层发育缺陷和抑郁样行为，但成年期敲除CatB不会引起类似表型。
3. 环路机制：mPFC第6层-前丘脑室旁核(aPVT)环路功能异常可能是抑郁样行为的神经基础。
4. 分子机制：CatB通过稳定PEG3蛋白调控皮层发育，CatB缺失会增强UPS介导的PEG3降解。

研究还发现了一些有趣的现象：虽然CatB缺失会影响皮层第6层发育，但对学习记忆能力没有明显影响；在慢性束缚应激模型中，野生型小鼠会表现出抑郁样行为，而CatB^-/-小鼠对这种应激不敏感，提示CatB缺失可能使小鼠对应激产生抵抗。

这项研究首次揭示了CatB-PEG3轴在皮层发育和情绪调控中的关键作用，为理解神经发育障碍相关精神疾病的发病机制提供了新视角。特别值得注意的是，该研究不仅阐明了CatB在发育期的独特作用，还发现成年期CatB缺失不会引起类似表型，这提示CatB可能成为神经发育障碍的早期干预靶点。此外，PEG3作为印记基因，其表达受亲本来源影响，这一发现也为理解环境-基因互作在神经精神疾病中的作用提供了新线索。

从临床转化角度看，这项研究为开发针对溶酶体-蛋白酶体系统平衡调节的新型干预策略提供了理论依据。未来研究可以进一步探索：1) CatB-PEG3轴在其他脑区的特异性作用；2) PEG3下游靶基因网络；3) 针对这一通路的药物开发可能性。这些工作将有助于推动神经发育障碍和精神疾病的精准诊疗。