综述：长途运输：微管马达是神经元长寿的基本供应线

《Journal of Neurochemistry》：The Long Haul: Microtubule Motors as the Essential Supply Line for Neuronal Longevity

　　

神经元的极端形态和极化结构需要高度精密的微管运输系统来支持其构建和终生生存。来自不断扩展的人类突变景观的基因组证据支持微管运输机制的基本作用。在神经发育过程中，突变破坏神经元前体细胞的增殖和迁移以及极性的初始建立。在成熟神经系统中，对微管运输的依赖转向轴突完整性和突触蛋白质稳态的长期维持。在负责神经元长距离运输的马达蛋白中，突变突出了长轴突在遗传性痉挛性截瘫（HSP）、2型夏科-马里-图斯病（CMT2）、脊髓性肌萎缩症（SMA）、佩里综合征和肌萎缩侧索硬化症（ALS）等疾病中运输失败的特定易感性。由于微管马达在发育和维持中的作用，微管运输系统单个基因内常存在表型谱。例如，动力蛋白马达的突变既与皮质发育畸形相关，也与SMA-LED（下肢优势型脊髓性肌萎缩症）中的特定运动神经元丧失相关。通过综合遗传证据，本综述阐明了从马达结构域动力学到货物结合的特异性分子失败如何增进研究人员对神经元稳态的理解。最终，研究人员认为微管运输不仅仅是细胞的基本功能，而是神经元长寿的关键决定因素。

**1 引言**
神经元是具有复杂和扩展结构的独特细胞。外周人类运动和感觉神经元的轴突从细胞体延伸超过一米，而现代神经元示踪实验表明这对中枢神经系统同样适用。人类基底前脑胆碱能神经元的平均总轴突长度约为100米（Wu et al. 2014），而小鼠中迄今报告的最长神经元是脑桥蓝斑去甲肾上腺素释放神经元，总长度为72厘米（Su et al. 2026）。同样，大鼠黑质致密部单个多巴胺能神经元的总轴突长度在50至60厘米之间（Matsuda et al. 2009），在人类脑中估计为4米（Pissadaki and Bolam 2013）。因此，新物质的持续合成和向外递送到轴突对神经元存活至关重要（Kleim et al. 2003；Cromberg et al. 2019），而轴突运输的中断与神经退行性疾病广泛相关（Maday et al. 2014；Sleigh et al. 2019）。尽管神经元细胞体相对于其支持的巨大轴突尺寸较小，但它们作为高效的中心制造中心来支持整个神经元的维持。大多数蛋白质合成和细胞器生物发生在此进行，需要主动运输将货物运送到外周（Maday et al. 2014；Twelvetrees 2020）。局部翻译可作为此类大细胞中更新问题的去中心化解决方案；然而，局部翻译并不逃避对功能性运输系统的需求。所有翻译机制必须从细胞核主动运输出去以支持远端的局部翻译；这包括核糖体（Holt et al. 2019；Hafner et al. 2019）、mRNA（Dalla et al. 2021）和tRNA（Petrosino et al. 2026）。因此，尽管局部翻译对神经元功能至关重要，但它并不能替代高效物流网络将货物运送到外周的需求；相反，它证明了高效运输系统支持长期神经元维持的必要性。

神经元中极化长距离运输的基础是微管运输机制。异二聚体微管蛋白的首尾组装创建了极化的微管丝，这些丝作为马达蛋白沿其行走的轨道。神经元利用这种固有极性进行空间组织（Akhmanova and Kapitein 2022；Kapitein and Hoogenraad 2015）；在轴突中，微管以远离细胞体的统一极性组装，而在树突中，微管具有混合极性。行走时读取微管固有极性的两个关键马达蛋白类别是驱动蛋白（kinesins）和动力蛋白（dyneins）。在轴突中，驱动蛋白走向远端轴突（顺行运输），而动力蛋白进行返回细胞体的回程（逆行运输）。微管、驱动蛋白和动力蛋白共同构成了构建和维持神经元的主动供应线。基于轴突微管的供应线是生物学的一项卓越成就；每一步8纳米的马达蛋白可在整个人类寿命中维持数米长的轴突树（Svoboda et al. 1993）。然而，这种特化也带来了易损性的代价。

**2 与微管及其马达突变相关的人类疾病**
2.1 遗传性痉挛性截瘫（HSP）
遗传性痉挛性截瘫是一种进行性神经退行性疾病，特征为下肢僵硬、无力和痉挛（Klebe et al. 2015）。作为一种长度依赖性轴突病，神经退变发生在皮质脊髓束，轴突从运动皮层延伸到脊髓基部。退变轴突发生逆行性死亡，消除对肌肉的“放松”信号，导致痉挛。症状源于皮质脊髓上运动神经元轴突的退变；然而，下运动神经元也可能受累（Parodi et al. 2017）。尽管疾病是进行性的，但预期寿命通常不受影响（特别是简单型）。HSP表型高度多样，发病年龄和进展差异很大（Klebe et al. 2015；Méreaux et al. 2022）。已鉴定出超过80种不同的HSP遗传类型（Blackstone 2018）。患者出现从轻微活动困难到需要全天轮椅的一系列症状。在一些非典型病例中，可出现其他神经功能障碍。因此，HSP分为两个表型亚型：简单型（也称纯HSP）或复杂型HSP（Harding 1983）。简单型HSP仅限于下肢，而复杂型HSP还伴有其他神经症状，如共济失调、周围神经病、肌肉萎缩、癫痫、痴呆、帕金森综合征或智力残疾。HSP中轴突退变的关键途径是轴突运输功能障碍（Ferreirinha et al. 2004；Denton et al. 2016；Blackstone 2018）。多个驱动蛋白-1和驱动蛋白-3基因的突变是HSP的致病原因。

2.2 2型夏科-马里-图斯病（CMT2）
夏科-马里-图斯病是一大类疾病，特征为外周运动和感觉多发性神经病，有时也称为遗传性运动和感觉神经病（HMSN）。CMT患者表现为长度依赖性、进行性、手臂和腿部的感觉和/或运动功能障碍，主要表现于四肢（Banchs et al. 2009；Pareyson et al. 2013）。CMT可大致分为两个主要类型，并根据遗传方式进一步细分（Magy et al. 2018；Rossor, Evans, and Reilly 2015）。虽然最初根据神经传导速度定义（Harding and Thomas 1980；Banchs et al. 2009），但脱髓鞘型CMT（1型）源于编码髓鞘蛋白或调节髓鞘形成的转录因子的基因突变；轴突型CMT（2型）是维持轴突结构和功能相关突变的结果。严重程度差异很大，甚至在同一基因致病性变异的患者间也是如此。CMT2在发病年龄、表型多样性和遗传背景上具有异质性（Mathis et al. 2015；Pipis et al. 2019）。CMT1通常更多感觉症状，而CMT2运动障碍更明显。上下运动神经元以及背根神经节中的感觉神经元在CMT2中均有一定程度的退变（Pyromali et al. 2021；Saporta et al. 2015）。预期寿命通常不受影响；然而，疾病的进行性可导致日常活动困难增加。CMT2中轴突退变的关键途径是轴突运输功能障碍，驱动蛋白-1和驱动蛋白-3基因的突变是致病原因。

2.3 肌萎缩侧索硬化症（ALS）
肌萎缩侧索硬化症是一种严重的神经退行性疾病，影响上皮质脊髓和下运动神经元（Kiernan et al. 2011）。ALS患者通常成年发病，诊断后3-5年内死亡，尽管有极少数患者存活多年（Taylor et al. 2016）。约5-10%的ALS是家族性的（fALS），有明确的基因组遗传，其余为散发性；但由于散发性病例的遗传结构复杂，这是一种简化（van Rheenen et al. 2016；Hop et al. 2026）。症状可表现为下肢僵硬和无力，但可迅速进展为活动问题和最终瘫痪。该病主要影响上下运动神经元，但由于与额颞叶痴呆的重叠，也与大脑额叶和颞叶受累相关（Neumann et al. 2006；Ling et al. 2013）。疾病过程以轴突逆行死亡和回缩为特征（Dadon-Nachum et al. 2011）。ALS的起始和进展是一个多步骤过程（Al-Chalabi et al. 2014；Ziser et al. 2025）。在细胞水平，多种疾病机制被认为起作用，包括RNA稳态、DNA损伤、蛋白质稳态、线粒体功能障碍和轴突运输（Taylor et al. 2016；Mead et al. 2023）。尽管遗传复杂，但患者组织中仍存在共同的运动神经元病理学，特别是TDP-43包涵体（Neumann et al. 2006）和RNA隐性外显子包含（Ma et al. 2022）。

**3 驱动蛋白和顺行运输机制**
3.1 驱动蛋白-1
驱动蛋白-1的驱动力核心是两个重链的同二聚体。驱动蛋白-1重链由高度保守的N端马达结构域、长延伸的卷曲螺旋柄和内在无序的C端尾区组成（Yildiz 2024；Hackney and Twelvetrees 2020）。脊椎动物有三种重链亚型：KIF5A、KIF5B和KIF5C。KIF5B在所有细胞中普遍存在，而5A和5C在脑中富集，其分布因细胞类型和区域而异（Kanai et al. 2000；Brady and Morfini 2017）。驱动蛋白-1同二聚体可补充一对驱动蛋白轻链（KLCs 1-4），但它们不是驱动蛋白-1功能所必需（Palacios and St 2002；Glater et al. 2006；Dimitrova-Paternoga et al. 2021）或运动性所必需（Twelvetrees et al. 2019；Canty et al. 2023；Fenton et al. 2021）。调节驱动蛋白-1功能的关键因素之一是自抑制，涉及沿马达长度的一系列自身关联以形成“闭合”构象（Chiba et al. 2022；Weijman et al. 2022；Tan et al. 2023）。然而，除了高度保守的马达结构域（Kaan et al. 2011），负责运输的驱动蛋白-1开放结构在实验上相对表征不足，这可能是由于延伸的卷曲螺旋结构域高度灵活，难以进行传统结构研究（Smith et al. 2026）。

3.1.1 驱动蛋白-1缺陷的动物模型
KIF5B敲除小鼠在发育早期胚胎死亡（Tanaka et al. 1998），而KIF5A和KIF5C敲除小鼠强调了其在神经系统中的关键作用。纯合KIF5A敲除小鼠出生后因无法呼吸而死亡（Xia et al. 2003）。纯合KIF5C敲除小鼠存活但脑较小、运动神经元减少（Kanai et al. 2000）。KLC1敲除小鼠表现运动障碍、脑畸形和严重轴突运输缺陷（Rahman et al. 1999；Falzone et al. 2009, 2010）。KLC4突变斑马鱼感觉神经元显示分支减少、内体运输异常和微管动力学改变（Haynes et al. 2022）。条件性敲除进一步区分了KIF5亚型的功能：神经元中KIF5B条件性敲除导致运动减退、运动协调缺陷和轴突运输中断，多巴胺D2受体表面表达减少（Cromberg et al. 2019）。在CaMKIIα表达神经元中敲除KIF5B影响记忆回忆、长期增强（LTP）维持和树突棘，表明KIF5B在学习记忆中不可替代的作用（Zhao et al. 2020）。出生后神经元中KIF5A条件性敲除导致癫痫、感觉神经元退变和异常姿势，与神经丝运输改变有关（Xia et al. 2003）；也可能与GABA_A受体表面表达减少导致的突触抑制受损有关（Nakajima et al. 2012）。

3.1.2 人类疾病中的驱动蛋白-1
近年来，编码驱动蛋白-1亚基的许多突变与人类神经疾病相关，反映了神经元对长距离运输的依赖性。KIF5A是研究最多的亚基。KIF5A重链突变导致HSP，常染色体显性遗传（Reid et al. 2002；Blair et al. 2006；Liu et al. 2014）。KIF5A突变占所有常染色体显性HSP的1-2%和复杂型常染色体显性HSP的5-8%。驱动蛋白轻链KLC2（Melo et al. 2015）和KLC4（Bayrakli et al. 2015）突变也以常染色体隐性形式与HSP相关。KIF5A突变还引起CMT2（Crimella et al. 2012），并与ALS相关（Nicolas et al. 2018；Brenner et al. 2018）。KIF5A内突变位点与疾病表现之间存在基因型-表型关联：更C端的突变与ALS相关，而N端特别是马达结构域的突变更易导致HSP和CMT2。马达结构域突变在KIF5C中与智力残疾、癫痫和皮质发育畸形相关（Poirier et al. 2013；Banerjee et al. 2024；Wang et al. 2025）。

3.1.3 人类突变对KIF5A功能的影响
KIF5A马达结构域的HSP突变在化学力学上具有异质性，不同氨基酸替换在不同阶段破坏马达的酶促循环（Ebbing et al. 2008；Jennings et al. 2017；Dutta et al. 2018）。例如，R280S对微管亲和力下降；K253N和N256S ATP酶活性和微管滑动速度降低；S202N、R204Q等完全失去运动能力。总体效应是阻断马达结构域功能，导致运输缺陷。与HSP不同，C端KIF5A的ALS相关移码突变导致尾端延长，形成聚集并产生神经毒性（Pant et al. 2022；Nakano et al. 2022；Baron et al. 2022；Soustelle et al. 2023）。这些突变减轻自抑制，使马达过度活跃，增加轴突运输和远端聚集（Baron et al. 2022）。临床严重程度与初始分子影响呈负相关：马达结构域变异导致早发但缓慢进展的HSP/CMT2（单倍剂量不足），而绕过自抑制的突变导致慢性远端积累，触发成人发病的“逆行性死亡”病理。

3.2 驱动蛋白-3
驱动蛋白-3马达是神经系统中超持续性马达，特征为长运行距离和高速度（Soppina et al. 2014）。在脊椎动物中，该亚家族有8个成员，包括几个突出的神经元亚型。结构上，驱动蛋白-3马达具有保守的N端马达结构域，随后是叉头相关（FHA）结构域，通常与卷曲螺旋结合介导二聚化（Ren et al. 2016；Westerholm-Parvinen et al. 2000）。C端更多样化，具有与膜结合货物相互作用的特殊结构域，如KIF1A和1B的C端普列克底物同源（PH）结构域（Xue et al. 2010）。与驱动蛋白-1类似，关键调控特征是从自抑制分子转变为持续性二聚体，但激活机制更多样。许多驱动蛋白-3马达经历货物结合调控的单体-二聚体转变，如KIF1A（Soppina et al. 2014; Tomishige et al. 2002；Hammond et al. 2009），而有些如KIF1C是稳定的自抑制二聚体（Siddiqui et al. 2019）。

3.2.1 驱动蛋白-3缺陷的动物模型
KIF1A突变小鼠出生后因运动感觉障碍无法哺乳而一天内死亡（Yonekawa et al. 1998）。KIF1B突变小鼠出生后30分钟内死于呼吸困难，纯合小鼠脑干核团减少约25%神经元，杂合小鼠有严重轴突运输缺陷和慢性周围神经病（Zhao et al. 2001）。KIF1C敲除小鼠存活且无明显神经病异常（Nakajima et al. 2002）。KIF16B敲除导致胚胎着床前致死（Ueno et al. 2011），KIF13A和KIF13B敲除小鼠发育正常（Zhou et al. 2013；Kanai et al. 2014）。

3.2.2 人类疾病中的驱动蛋白-3
KIF1A、KIF1B和KIF1C均与长轴突遗传性神经疾病相关。KIF1A首次关联的是HSP和遗传性感觉自主神经病2型（HSANII）（Erlich et al. 2011；Rivière et al. 2011）。单个KIF1A突变也与CMT相关（Ferese et al. 2021）。此外，KIF1A突变涵盖一系列严重的早发性神经发育障碍，统称为KIF1A相关神经疾病（KAND），包括神经退变和痉挛伴或不伴小脑萎缩或皮质视力障碍（NESCAV）综合征以及进行性脑病伴水肿、高度节律失常和视神经萎缩（PEHO）综合征等。KIF1B被发现导致CMT2（Zhao et al. 2001），KIF1C突变导致常染色体隐性复杂型HSP（SPG58）和髓鞘形成低下疾病（Dor et al. 2014；Caballero et al. 2014）。最近KIF1A突变也与ALS相关（Zheng et al. 2024；Liao et al. 2022；Bernard et al. 2024；Zhao et al. 2024），这些ALS相关突变主要位于C端。

3.2.3 人类突变对KIF1A功能的影响
KIF1A功能研究最多。马达结构域突变通常损害酶功能，但也有一些HSP突变导致过度活跃和功能获得（Chiba et al. 2019）。例如KIF1A(V8M)、KIF1A(A255V)和KIF1A(R350G)比野生型有更长的持续性运行。严重KAND表型与马达结构域中ATP和微管结合区域（P环、开关I和开关II）的变异强烈相关，导致运输缺陷，引起强直结合的突变与最严重临床表型相关（Boyle et al. 2021）。同一残基的不同替换产生不同分子表型，异二聚体保留相当运动性，而功能缺失的同二聚体驱动表型多样性（Rao et al. 2025）。

3.3 动力蛋白、动力蛋白激活蛋白和逆行运输机制
神经元中的逆行运输几乎完全由细胞质动力蛋白-1复合物介导。核心是两个动力蛋白重链（DYNC1H1）的同二聚体，催化结构域为C端AAA+ ATP酶环（Canty et al. 2021）。N端三分之一形成茎/尾，负责二聚化，并与其他亚基（动力蛋白中间链DYNC1I1/2、动力蛋白轻中间链DYNC1LI1/2以及轻链LC7、LC8、TcTex）结合（Urnavicius et al. 2015；Chowdhury et al. 2015）。动力蛋白严格由自抑制调控（Qiu et al. 2019；Karasmanis et al. 2023）。其绝对需要多亚基辅因子动力蛋白激活蛋白（dynactin），后者是由23个亚基组成的~1.2 MDa复合物，包括DCTN1-6和ACTR1A/B等（Schroer 2004）。动力蛋白激活蛋白的p150^Glued（DCTN1）二聚体具有微管结合结构域（CAP-Gly和K⁺结构域）。神经元中表达N端截短的p135亚型，缺乏CAP-Gly和K⁺结构域（Tokito et al. 1996）。持续性动力蛋白复合物的真正激活需要形成由动力蛋白、动力蛋白激活蛋白和货物特异性激活衔接子（如BICD2）组成的三元复合物（Schlager, Hoang, et al. 2014；McKenney et al. 2014）。

3.3.1 逆行运输缺陷的动物模型
动力蛋白和动力蛋白激活蛋白敲除动物不可存活。通过过表达动力蛋白激活蛋白的dynamitin（p50/DCTN2）亚基破坏复合物，在出生后运动神经元中导致迟发性进行性运动神经元退变（LaMonte et al. 2002）。Legs at odd angles（Loa）小鼠在Dync1h1基因中有点突变，杂合子逐渐发展运动神经元退变（Hafezparast et al. 2003）。Sprawling（Swl）突变导致早发性感觉神经病（Chen et al. 2007）。选择性去除出生后神经元的p150^Glued但保留p135，在老年小鼠中约20%运动神经元丢失（Yu et al. 2018）。斑马鱼中dctn1缺失导致突触不稳定和运动缺陷（Bercier et al. 2019）。

3.3.2 人类疾病中的动力蛋白和动力蛋白激活蛋白
DYNC1H1突变与CMT2（Weedon et al. 2011）、下肢优势型脊髓性肌萎缩症（SMA-LED）（Tsurusaki et al. 2012；Scoto et al. 2015；Harms et al. 2012）以及皮质发育畸形（MCD）（Willemsen et al. 2012；Poirier et al. 2013）相关。SMA-LED也由BICD2基因突变引起（Peeters et al. 2013, 2014；Rossor, Oates, et al. 2015）。动力蛋白激活蛋白的p150^Glued（DCTN1）的CAP-Gly结构域突变导致佩里综合征（Farrer et al. 2009）和远端遗传性运动神经病7B型（HMN）（Puls et al. 2003）。佩里综合征是成年发病的帕金森综合征，特征包括抑郁、呼吸困难、震颤和强直。动力蛋白激活蛋白相关HMN是长度依赖性常染色体显性下运动神经元病。此外，动力蛋白激活蛋白突变与ALS和额颞叶痴呆（FTD）相关（Puls et al. 2003；Münch et al. 2004），佩里综合征也以TDP-43阳性包涵体为特征（Wider et al. 2009）。

3.3.3 人类突变对动力蛋白和动力蛋白激活蛋白功能的影响
由于重建持续性动力蛋白/动力蛋白激活蛋白/激活因子运动性的复杂性，体外表征相对较少。Loa突变动力蛋白运行长度逐渐减少，ATP酶测定显示微管结合减少（Ori-McKenney et al. 2010）。霍曼等重建了16种重组人类动力蛋白突变，所有突变均损害动力蛋白功能；最严重的突变与MCD相关，但功能异质性表明需要更多理解（Hoang et al. 2017）。动力蛋白激活蛋白的HMN7B（G59S）和佩里综合征（G71R、Q74P）突变降低p150^Glued对微管的亲和力（Moughamian and Holzbaur 2012；Ayloo et al. 2014）。过表达时HMN7B突变易于聚集并减少轴突运输，而佩里综合征突变通过显性负效应显著破坏逆行通量。

**4 讨论**
通过比较与关键长距离微管马达相关的人类疾病，浮现出几个关键主题。首先，神经元对长距离运输丧失极为脆弱，不仅在发育中，而且在ALS、佩里综合征和成人发病HSP等疾病中也是如此，表明轻度运输短缺可能早期被补偿，直到达到转折点。其次，同一疾病内的表型严重程度（如KAND）通常与氨基酸改变对马达结构域酶功能的严重程度相关，但疾病表现本身（如HSP或ALS）与突变靶向酶促马达区域还是货物结合区域有关。干扰自抑制的突变可能导致马达错误定位和局部ATP耗竭。功能缺失与功能获得突变的不同结果强调，神经元长寿是精确调节物流的产物，而不仅仅是运输容量。马达蛋白的显性负效应常见，尤其是马达结构域突变；二聚体马达中一个严重突变可能毒害75%的马达。尽管健康运输网络与神经元长寿之间有明确联系，但很少有临床前研究针对这一机制。果蝇研究显示驱动蛋白-1过表达可挽救ALS毒性，驱动蛋白-1或-3过表达可挽救阿尔茨海默病模型毒性。SMA领域发现KIF5A在SMA小鼠脊髓中下调，阻断靶向miR-140-3p可减轻表型。KAND中正在探索反义寡核苷酸治疗去除毒性KIF1A蛋白。轴突运输率在衰老和疾病模型中下降，恢复轴突运输仍是未充分探索但至关重要的领域，能够增强神经元长寿。