X连锁USP11通过稳定CK2α和破坏线粒体功能驱动抑郁样行为

《CNS Neuroscience & Therapeutics》：X-Linked USP11 Drives Depression-Like Behaviors by Stabilizing CK2α and Disrupting Mitochondrial Function

　　

研究人员旨在探究X连锁USP11在抑郁症相关线粒体功能障碍中的作用与机制。研究人员构建了前额叶皮层USP11敲除小鼠和USP11过表达小鼠，通过行为学测试和前额叶皮层线粒体功能变化的定量分析评估USP11在抑郁症线粒体功能障碍中的作用。研究人员通过免疫沉淀-质谱联用（IP-MS）鉴定了USP11在抑郁症中的相互作用蛋白CK2α，并利用选择性抑制剂CX4945确认了CK2α的作用。进一步通过原代神经元验证了USP11和CK2α对线粒体功能的直接影响。结果显示，USP11介导小鼠抑郁样行为并损害线粒体功能。机制上，USP11结合并去泛素化CK2α，稳定其蛋白水平并促进线粒体功能障碍。选择性抑制剂CX4945可逆转CK2α对神经元线粒体功能的损伤。本研究证明，USP11直接结合并去泛素化CK2，影响内侧前额叶皮层（mPFC）线粒体功能，导致小鼠抑郁样行为。

**研究背景与问题**
重度抑郁症（MDD）是一种高度异质性的精神疾病，以持续情绪低落、认知功能受损和自杀风险升高为特征，全球约3亿人受影响。其病因涉及遗传、心理、环境和社会等多因素，且常伴随共病。线粒体功能障碍目前被认为是MDD的促成因素，具体机制包括线粒体DNA突变、线粒体自噬、线粒体动力学、线粒体生物发生和线粒体能量代谢。临床研究已发现MDD患者存在线粒体融合-分裂失衡，而脆弱大鼠腹侧海马线粒体融合增强。USP11是X染色体上USP11基因编码的去泛素化酶，在人类脑中高表达，参与细胞增殖、癌症生长转移、化疗耐药和脑出血等多种病理生理过程。近期研究显示USP11在阿尔茨海默病tau病理中发挥重要作用，可通过去泛素化促进tau蛋白异常聚集。然而，USP11在抑郁症中的作用和机制尚不清楚。CK2（酪蛋白激酶2）是一种组成型活性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，参与多种信号通路调控，与自闭症、注意缺陷多动障碍和精神分裂症等精神疾病相关。在抑郁症中，CK2活性可能直接驱动病理过程，因此抑制CK2被视为潜在治疗策略。研究表明CK2可通过线粒体膜电位、线粒体自噬和线粒体动力学等方面调控线粒体功能。但CK2在抑郁症中的具体调控机制仍不明。为填补这一关键知识空白，研究人员假设USP11通过去泛素化稳定CK2α从而影响线粒体功能，介导抑郁发生。

**研究内容与结论**
研究人员通过体内和体外实验证明，USP11可直接去泛素化CK2α以改变其蛋白丰度，进而影响线粒体功能，该线粒体功能障碍导致抑郁障碍。结论揭示了抑郁症发病的新机制，并为治疗抑郁症提供了更精确的靶点。论文发表在《CNS Neuroscience》。

**主要关键技术方法**（不超过250字）
研究人员利用慢性不可预测温和应激（CUMS）模型诱导小鼠抑郁样行为；采用CRISPR/Cas9技术构建全身Usp11基因敲除小鼠，并通过立体定位注射AAV在mPFC特异过表达USP11；通过行为学测试（悬尾实验、强迫游泳实验、糖水偏好实验、旷场实验）评估抑郁样行为；采用免疫沉淀-质谱（IP-MS）鉴定USP11相互作用蛋白CK2α；通过co-IP、点印迹、AlphaFold分子对接及HDOCK预测验证USP11与CK2α结合；利用去泛素化实验和Western blot检测USP11对CK2α去泛素化及蛋白稳定性的影响；通过透射电镜（TEM）、JC-1/TMRE染色、Western blot检测线粒体形态和功能；使用CK2选择性抑制剂CX4945进行干预；利用公开转录组数据（GSE54568、GSE144136、GSE213982）分析人脑USP家族表达。样本来源：C57BL/6J小鼠（湖南斯莱克景达），Usp11敲除小鼠由赛业公司（苏州）构建，人胚肾293T细胞和SK-N-SH细胞购自Pricella（武汉），原代神经元取自E16小鼠胚胎皮层。

**研究结果**
**3.1 抑郁模型小鼠前额叶皮层USP11表达升高**
通过分析人脑转录组芯片数据集GSE54568和单细胞数据集（GSE144136、GSE213982），发现USP家族基因表达存在异质性。CUMS模型小鼠前额叶皮层USP11 mRNA和免疫荧光强度均显著高于对照组，提示USP11在抑郁中可能发挥关键作用。

**3.2 USP11调控CUMS小鼠抑郁样行为**
在mPFC过表达USP11导致小鼠糖水偏好降低（快感缺失）、悬尾和强迫游泳不动时间增加（绝望行为），而旷场总运动距离无差异；高尔基染色显示树突棘数量减少。USP11基因敲除可逆转CUMS小鼠的抑郁样行为并防止树突棘丢失，表明USP11参与抑郁样行为。

**3.3 USP11促进CUMS小鼠前额叶皮层线粒体功能障碍**
在野生型CUMS小鼠中，线粒体周长和面积增加、膜电位降低、融合蛋白（OPA1、Mfn2）表达升高。USP11敲除小鼠中，CUMS诱导的这些线粒体指标变化被消除，表明USP11介导线粒体融合-分裂失衡和功能障碍。

**3.4 预测CK2α为USP11靶标**
IP-MS鉴定CK2α为USP11相互作用蛋白；内源性和外源性co-IP实验证实二者在mPFC组织和HEK293T细胞中结合；USP11的去泛素酶活性突变体（C318S）不影响结合；截短实验表明USP11的DUSP结构域（1-502 aa）负责结合CK2α；点印迹证明二者直接结合；免疫荧光显示二者在神经元和小鼠mPFC中共定位。

**3.5 USP11去泛素化CK2α**
在HEK293T细胞中，过表达USP11降低CK2α泛素化水平，而突变体C318S则增加泛素化。在小鼠mPFC中，USP11过表达使CK2α泛素化降低，USP11敲除使泛素化升高；免疫荧光证实了相同趋势。表明USP11直接去泛素化CK2α。

**3.6 USP11稳定CK2α蛋白**
USP11敲除小鼠mPFC中CK2α蛋白水平降低，但mRNA无差异；在SK-N-SH细胞中，siRNA敲低USP11降低CK2α蛋白，过表达USP11则稳定CK2α。说明USP11通过去泛素化增强CK2α蛋白稳定性。

**3.7 USP11通过CK2α调控原代小鼠神经元线粒体功能**
在原代皮层神经元中，过表达USP11增加CK2α蛋白水平，促进线粒体融合（OPA1、Mfn2升高），降低膜电位；CK2抑制剂CX4945可逆转这些变化。证实USP11通过CK2α介导线粒体功能障碍。

**讨论与结论**
本研究首次阐明USP11通过去泛素化稳定CK2α，促进线粒体融合导致mPFC线粒体功能障碍，进而引发抑郁样行为。尽管选择性CK2α抑制剂CX4945可逆转部分效应，但并未阻断USP11对CK2α的去泛素化，提示USP11-CK2α相互作用本身可能作为更直接的治疗靶点。全身USP11敲除小鼠限制了对PFC特异性的结论，但PFC限制性过表达实验部分弥补了不足。未来需在USP11过表达小鼠中进行PFC特异性CK2α敲低或抑制以建立体内因果关系。
结论：本研究证明USP11直接结合并去泛素化CK2，影响mPFC线粒体功能，导致小鼠抑郁样行为。这一发现揭示了抑郁症发病的新机制，为抑郁症治疗提供了更精确的靶点。