脊髓运动神经元选择性脆弱性的关键机制：PLK1在家族性ALS中的激活与DNA损伤修复缺陷

本研究针对家族性肌萎缩侧索硬化症(FUS-ALS)中脊髓运动神经元(sMNs)的选择性脆弱性问题，通过比较患者来源的皮质神经元(CNs)与sMNs，揭示了PLK1(polo-like kinase 1)在DNA损伤修复中的核心作用。研究发现FUS突变导致sMNs核定位异常、DNA损伤累积及PLK1信号通路上调，这种机制在多种fALS模型中具有保守性，为理解神经元选择性退化提供了新视角。论文发表于《Cell Reports》，为ALS靶向治疗开发奠定理论基础。

　　

背景与科学问题

肌萎缩侧索硬化症(ALS)被称为"渐冻症"，其最残酷之处在于选择性摧毁运动神经元——那些掌控肌肉活动的神经细胞。在FUS基因突变导致的家族性ALS(FUS-ALS)中，脊髓运动神经元(sMNs)的退化尤为显著，而皮质神经元(CNs)相对幸免。这种选择性脆弱性背后的机制如同一个未解之谜，困扰着神经科学领域。FUS蛋白正常情况下驻留细胞核，参与DNA修复和RNA代谢，但突变会导致其"迷路"滞留胞质，引发连锁反应。先前研究多聚焦于蛋白聚集体的毒性，但为何sMNs对FUS突变特别敏感？这个问题的答案可能隐藏在不同神经元类型的分子特征中。

关键技术方法

研究团队建立了FUS-P525L突变和野生型(WT)的人诱导多能干细胞(iPSC)同源模型，分化为sMNs和CNs进行对比。采用激光显微切割诱导DNA损伤结合活细胞成像分析FUS-eGFP募集动力学；通过RNA测序(RNA-seq)解析转录组差异；利用微流控室系统量化轴突细胞器运输；免疫组化验证患者尸检组织中PLK1表达模式。队列包括4例FUS-ALS患者和匹配对照的脑脊组织。

研究结果

1. 突变FUS皮质神经元表现出较轻的DNA损伤

通过53BP1焦点分析发现，P525L FUS sMNs基线DNA双链断裂(DSBs)显著增加，而CNs未显示差异。使用依托泊苷(etoposide)诱导损伤后，sMNs修复能力受损，CNs则保持正常修复效率。尸检组织分析证实，ALS患者腰椎α运动神经元中γH2AX(DSB标志物)核内积聚明显，而皮质神经元仅30-40%呈现类似损伤。

2. FUS向DNA损伤位点募集在脊髓运动神经元中受损更严重

紫外激光诱导损伤实验显示，P525L FUS在CNs中仍可募集至损伤位点，但在sMNs中完全丧失募集能力。定量分析揭示FUS核质分布比例与损伤位点周转显著相关，而突变sMNs核内FUS丢失最为严重。

3. 应激颗粒动态与轴突运输异常具有神经元类型特异性

荧光漂白恢复(FRAP)实验发现，P525L FUS使sMNs中应激颗粒流动性降低，CNs则保持正常。微流控室系统显示突变sMNs线粒体和溶酶体远端轴突运输速度下降50%，而CNs仅溶酶体运输轻微受影响。

4. 转录组分析揭示PLK1通路特异性激活

RNA-seq发现sMNs中1,910个基因在突变背景下特异性差异表达，显著富集于PLK1、Aurora激酶和FOXM1通路。PLK1在WT sMNs本底表达就高于CNs，突变后进一步上调2.5倍。尸检免疫组化证实PLK1特异性富集于脊髓前角运动神经元。

5. 选择性剪接事件指向DNA修复缺陷

可变剪接分析发现，sMNs中突变特异性外显子跳跃(SE)事件富集于碱基切除修复通路，而CNs主要影响剪接体相关基因。这与sMNs中更严重的核FUS丢失表型相呼应。

6. PLK1上调是多种fALS的共同特征

对比SOD1、TARDBP和C9ORF72突变模型数据，发现PLK1上调是跨基因型的保守特征。PLK1抑制剂BI2536处理证实其在DNA损伤应答中的保护作用——抑制后正常sMNs损伤增加40%，而突变细胞因通路已饱和无显著变化。

结论与意义

该研究揭示了FUS-ALS中sMNs选择性退化的级联机制：核FUS丢失导致DNA修复缺陷→PLK1代偿性上调→细胞周期再激活→轴突运输障碍。特别重要的是，PLK1作为"分子枢纽"的发现，将看似分散的ALS病理特征——DNA损伤、RNA代谢紊乱、轴突退化——串联成统一框架。研究还建立了首个系统比较ALS中不同神经元类型反应的平台，其揭示的PLK1通路保守性，为开发广谱ALS治疗策略提供了新靶点。这些发现可能解释为何靶向DNA损伤的药物在临床试验中表现参差——需要考虑神经元类型特异性反应。未来研究可探索PLK1调控网络是否可作为生物标志物，或通过小分子调节其活性来延缓疾病进展。