SHANK3自闭症模型小鼠丘脑网状核神经元亚型特异性改变：首次揭示高阶神经环路异常机制

本研究聚焦肌萎缩侧索硬化（ALS）中神经肌肉接头（NMJ）早期退行机制，提出“线粒体-NMJ轴”框架，揭示线粒体功能障碍通过ATP供应不足、Ca2+稳态失衡和ROS累积三环路驱动NMJ解体，为靶向PGC-1α通路干预ALS提供新策略。

　　

在神经退行性疾病研究领域，肌萎缩侧索硬化（ALS）如同一道棘手的难题，患者逐渐丧失运动能力，最终因呼吸肌瘫痪而致命。令人困惑的是，在运动神经元全面死亡之前，神经与肌肉之间的通信枢纽——神经肌肉接头（NMJ）早已悄然崩溃。这种“远端先行”的退化模式引发关键疑问：是什么让NMJ成为ALS中最脆弱的环节？近年研究表明，线粒体这一细胞能量工厂的功能失调可能是核心推手。线粒体不仅为NMJ突触传递提供ATP，还负责钙离子缓冲和活性氧调控，三者共同构成维持NMJ稳定的“黄金三角”。当线粒体功能紊乱时，NMJ便会陷入能量危机、钙超载和氧化应激的恶性循环。本研究系统剖析了线粒体-NMJ轴在ALS中的分子机制，相关成果发表于《Neurobiology of Disease》。

研究人员通过整合转基因小鼠模型（如SOD1^G93A）、患者组织样本分析以及体外细胞实验，采用电生理记录、活体成像、线粒体功能检测（膜电位、Ca²⁺摄取、ROS生成）、分子生物学技术（qPCR、Western blot）和免疫组织化学等方法，重点解析了PGC-1α信号通路及其下游调控网络。

2.1. “Dying-back”假说

研究证实ALS中存在轴突远端优先退变现象：运动神经元终末首先从运动终板退缩，导致突触连接丧失和乙酰胆碱受体（AChR）簇碎裂。通过单运动单位活体成像发现，SOD1^G37R小鼠的NMJ退化呈现“分支选择性、渐进性”模式，远端分支更易受累，且快疲劳型（FF）运动神经元支配的终末最先失神经支配。

2.2. 皮质-轴突优先的“dying-forward”与耦合模型

研究同时发现皮质过度兴奋性可在临床发病前出现，支持“dying-forward”机制。将TDP-43预形成纤维（PFFs）注入小鼠初级运动皮层，可诱导pTDP-43沿锥体束顺行传播，依次累及内囊、红核、延髓等区域，并伴随皮层运动诱发电位（cMEPs）下降和中枢运动传导时间（CMCT）延长。

3.1. PGC-1α介导线粒体生物合成的分子机制

PGC-1α作为线粒体生物合成的主调控因子，通过激活NRF1/NRF2和TFAM促进mtDNA复制转录。它还与PPARβ/γ和ERRs等核受体相互作用，招募组蛋白乙酰转移酶复合物增强靶基因转录。研究揭示PGC-1α可通过上调VEGF增加骨骼肌毛细血管密度，并通过激活抗氧化酶（如SOD2）增强ROS清除能力。

3.2. PGC-1α与线粒体功能障碍的关系

ALS中PGC-1α表达显著降低，导致线粒体生物合成缺陷和功能恶化。突变蛋白TDP-43和FUS可干扰PGC-1α转录活性。在ALS小鼠模型中，肌肉特异性过表达PGC-1α可增加线粒体含量和呼吸链活性，延缓肌肉萎缩，但未能延长生存期。

3.3. PGC-1α和ERRα协同诱导PERM1表达

PERM1作为骨骼肌特异性蛋白，其启动子含有ERRα结合位点。PGC-1α与ERRα共同显著增强PERM1转录，形成正反馈调节环路，促进线粒体生物合成和氧化代谢，减少异常蛋白累积。

3.4. 线粒体ATP生产支持神经肌肉接头结构稳定性

NMJ突触传输是耗能过程，需要ATP支持神经递质合成、囊泡循环和膜电位恢复。研究发现SOD1突变小鼠在高频刺激下出现传输失效，表明能量储备不足。适度耐力训练可通过增强线粒体氧化能力延缓NMJ退化。

3.5. 线粒体Ca²⁺稳态失衡对神经肌肉接头完整性的影响

研究显示SOD1^G93A小鼠骨骼肌线粒体Ca²⁺摄取率增加两倍，导致线粒体肿胀、膜电位去极化和mPTP过早开放。钙超载进一步引发ROS过量产生和呼吸链衰竭。疾病晚期，线粒体钙摄取能力显著下降，细胞通过上调质膜钙ATP酶（PMCA）试图清除胞质钙离子。

3.6. 过量线粒体ROS生产对神经肌肉接头完整性的影响

线粒体电子传递链缺陷导致电子泄漏和超氧阴离子过量产生。突变SOD1在线粒体内形成不溶性聚集体，抑制呼吸复合体活性。Ca²⁺超载和mPTP开放是ALS中ROS生成的关键触发因素。研究发现在失神经肌肉纤维中，仅24小时就足以诱导线粒体ROS生成和mPTP开放率增加。

4. 线粒体生物合成紊乱与神经肌肉接头功能障碍的关系

线粒体生物合成与线粒体清除（线粒体自噬）之间的平衡在ALS中被打破。研究显示ALS小鼠模型脊髓运动神经元线粒体密度和mtDNA拷贝数减少。CHCHD10基因突变导致线粒体嵴形态异常和呼吸复合体组装受损。药理学干预如AMPK激动剂AICAR可上调PGC-1α，刺激线粒体生物生成并改善运动性能。

研究结论表明，线粒体功能障碍是ALS中NMJ不稳定的核心驱动因素。PGC-1α作为关键节点，将线粒体生物合成、氧化还原稳态和Ca²⁺稳态与突触维护相结合。PGC-1α/ERRα-PERM1轴和PGC-1α-SIRT3轴的破坏会放大能量缺陷和氧化应激，加速NMJ恶化。增强PGC-1α活性可能通过改善线粒体功能和肌肉健康来减轻NMJ变性。针对线粒体生物合成、抗氧化防御和Ca²⁺稳态的联合靶向策略，可能作为延缓ALS进展的辅助治疗方法。该研究为开发针对神经肌肉接头退行的精准干预策略提供了重要理论基础。