RNA结合蛋白TDP-43和hnRNPA1调控iPSC神经元mRNA运输与局部翻译的机制研究及其在神经退行性疾病中的意义

本研究针对神经元中mRNA运输和局部翻译的调控机制，通过CRISPRi技术敲低FTD/ALS相关RNA结合蛋白（RBP）TDP-43和hnRNPA1，结合蛋白质组学、转录组学和显微成像技术，系统揭示了这两种蛋白在人类iPSC来源神经元（i3Neurons）中的功能差异。研究发现数千种转录本在神经突中富集且具有更短的3'UTR，TDP-43缺失导致神经突mRNA和翻译水平轻微增加，而hnRNPA1缺失因hnRNPA3代偿作用表现更温和效应。该研究为理解神经退行性疾病的分子机制提供了新视角。

　　

神经元作为高度极化的细胞，其长轴突和树突的远端区域需要快速响应突触刺激，这依赖于信使RNA（mRNA）的定向运输和局部蛋白质合成。然而，这一精密调控过程的分子机制，特别是在人类神经元中的特征，仍存在重大知识空白。更关键的是，RNA结合蛋白（RNA-binding proteins, RBP）如TDP-43和hnRNPA1的异常与额颞叶痴呆/肌萎缩侧索硬化症（FTD/ALS）密切相关，但其在mRNA空间分布调控中的具体作用尚未系统阐明。美国国立卫生研究院国家老龄化研究所阿尔茨海默病及相关痴呆研究中心（Center for Alzheimer's and Related Dementias, National Institute on Aging, National Institutes of Health）的Rachael Dargan等人在《Nucleic Acids Research》发表的研究，通过多组学联用技术揭示了人类诱导多能干细胞（iPSC）来源神经元中mRNA运输与翻译的全局图谱，以及FTD/ALS相关RBP缺失对这一过程的特异性影响。

研究人员采用Boyden chamber分离神经突与胞体组分，结合定量质谱（QuaNCAT和pSILAC）、高通量测序（RNA-seq）和活细胞成像（SunTag）等技术。iPSC来源的i3Neurons经CRISPR干扰（CRISPRi）敲低TDP-43或hnRNPA1后，通过荧光原位杂交（FISH）和荧光非经典氨基酸标记（FUNCAT）分析转录本定位和翻译动态。

【Boyden chambers神经突分离与全局特征】
研究首先优化了Boyden chamber系统分离i3Neurons的神经突组分，蛋白质组学鉴定到核蛋白NeuN在神经突中完全缺失，验证了分离纯度。转录组分析显示数千种mRNA在神经突富集，包括核糖体蛋白、RNA结合蛋白和线粒体相关转录本。这些转录本显著富集于神经退行性疾病通路（如ALS、帕金森病），并通过FISH验证了YBX1、RPS2等mRNA的神经突定位特征。值得注意的是，神经突富集转录本普遍具有更短的3'非翻译区（3'UTR）和更高的无义介导衰变（NMD）敏感性，暗示局部mRNA稳定性调控的特殊机制。

【新合成蛋白质组的时空特征】
通过2小时重氨基酸脉冲标记（pSILAC）和AHA点击化学富集（QuaNCAT），研究发现神经突中存在活跃的局部翻译，新合成蛋白质主要涉及细胞骨架、RNA结合蛋白和核糖体组分。SunTag活细胞成像直接捕捉到RPS27A和SCG2等mRNA在生长锥的动态翻译事件，为局部翻译提供了可视化证据。

【RBP敲低的特异性效应】
TDP-43敲除导致神经突中mRNA总量轻微增加（通过polyA FISH和RNA定量验证），蛋白质组显示STMN2等已知靶标显著减少。有趣的是，hnRNPA1敲除引发的转录组变化较温和，蛋白质组则显示其同源蛋白hnRNPA3代偿性上调。两种RBP敲除均诱导大量异常剪接事件（TDP-43敲除产生512个新型剪接位点），但仅TDP-43敲除显著影响转录本丰度。

【功能表型验证】
FUNCAT分析显示TDP-43敲除神经元翻译活性增强，但神经球和二维培养模型均表现神经突生长缺陷。这种"高翻译-低生长"的表型矛盾提示TDP-43可能通过调控特定mRNA（如STMN2）维持神经突的正常延伸，而非全局抑制翻译。

该研究首次在人类iPSC神经元中绘制了RBP调控的mRNA空间分布图谱，揭示TDP-43和hnRNPA1通过差异机制影响神经突转录组和翻译组。特别重要的是，发现hnRNP家族成员间的功能代偿（hnRNPA3补偿hnRNPA1缺失）可能解释不同RBP突变导致的疾病严重度差异。研究提出的"3'UTR长度-局部翻译效率"调控模型为理解神经元极化维持机制提供了新框架，而建立的i3Neurons-Boyden chamber-FUNCAT多模态平台为神经退行性疾病的药物筛选奠定了基础。这些发现对开发针对TDP-43病理的精准治疗策略（如选择性剪接校正或hnRNP代偿激活）具有重要指导价值。