O-甘露糖聚糖的分支调控郎飞结组织与跳跃传导

《Communications Biology》：Branching of O-mannose glycans regulates node of Ranvier organization and saltatory conduction

　　

轴突的髓鞘被组织为具有郎飞结的域结构，这些结构促进跳跃传导。在此，研究人员展示了一种脑特异性糖基转移酶MGAT5B，它催化O-甘露糖（Man）聚糖的β1,6-GlcNAc分支，对于郎飞结的完整性是必需的。Mgat5b敲除（KO）小鼠在脑白质中显示出郎飞结的增宽。一致地，电生理分析表明Mgat5b KO小鼠中轴突传导显著延迟且可变，表明分支型O-Man聚糖在郎飞结形态和功能中的重要性。生化和糖蛋白组学分析表明，MGAT5B修饰关键节点组织糖蛋白神经束蛋白186（NF186）的聚糖，并且NF186与接触蛋白1（Contactin 1）之间的相互作用受到分支型O-Man聚糖的负调控。最后，KO小鼠中神经元特异性的MGAT5B恢复挽救了这些节点缺陷，表明MGAT5B在节点组织中的细胞自主作用。研究人员的发现突显了一种聚糖介导的维持节点结构和功能的机制。

**研究背景与意义**
髓鞘包裹轴突形成郎飞结（node of Ranvier）结构，使得动作电位能够以跳跃传导（saltatory conduction）方式快速传递。郎飞结的完整性依赖于多种蛋白的精确组织，其中神经束蛋白186（NF186）是关键的节点组织者。哺乳动物脑中约10–30%的O-聚糖为O-甘露糖（O-Man）聚糖，但其生理功能尚不明确。MGAT5B（亦称GnT-IX）是一种脑特异性糖基转移酶，催化O-Man聚糖上β1,6-GlcNAc分支的形成。此前研究发现Mgat5b敲除（KO）小鼠在化学诱导脱髓鞘模型中表现出再髓鞘加速，并在胶质瘤中促进肿瘤生长，但其正常生理功能尤其是对神经元的作用仍不清楚。由于NF186携带多个分支型O-Man聚糖，研究人员推测MGAT5B可能通过修饰NF186的聚糖调节郎飞结组织，进而影响跳跃传导。本研究旨在阐明MGAT5B在脑中的生理作用及其对轴突传导的调控机制。论文发表在《Communications Biology》。

**关键技术方法**
研究人员使用了Mgat5b KO小鼠模型（C57BL/6N背景），通过免疫荧光染色（标记Nav1.6和Caspr）测量白质区郎飞结宽度；采用AAV（腺相关病毒）介导的ChR2-EYFP光遗传刺激，记录同侧运动皮层反相尖峰的电生理反应；利用糖蛋白组学（LC-MS/MS）鉴定NF186上的O-Man聚糖结构；通过免疫共沉淀和pulldown实验分析蛋白相互作用；基于NF155-Contactin 1共晶结构（PDB 7OL4）进行结构建模；通过AAV在Mgat5b KO小鼠运动皮层第5层神经元特异性恢复MGAT5B表达以验证细胞自主性。

**研究结果**
**郎飞结在Mgat5b KO小鼠中扩大**
通过共免疫染色Nav1.6（节点标记）和Caspr（旁结节标记），比较四个脑白质区郎飞结宽度。结果表明，Mgat5b KO小鼠各区域节点宽度均显著大于野生型（WT）小鼠，且旋转杆实验表现下降，提示运动协调缺陷。
**Mgat5b KO小鼠轴突传导的延迟和时间离散**
向运动皮层第5层注射表达ChR2的AAV，光刺激对侧皮层并记录反相尖峰。Mgat5b KO小鼠尖峰潜伏期显著延长且变异性增加，表明轴突传导延迟且时间精度丧失。
**MGAT5B修饰NF186上的O-Man聚糖**
在C1GALT1 KO细胞中共表达NF186ΔTM与MGAT5B，纯化后经PNGaseF去除N-聚糖，结合凝集素印迹和糖蛋白组学分析，检测到MGAT5B(+)样品中出现分支型O-Man聚糖，而MGAT5B(-)样品中为线性结构，证实MGAT5B直接修饰NF186的O-Man聚糖。
**Mgat5b KO神经元中NF186的节点内定位改变**
免疫染色发现Mgat5b KO小鼠中NF186阳性区域宽度变窄，而NF186和节点相关蛋白（Caspr、Contactin 1、MAG）表达水平与WT无差异，说明节点扩大并非由蛋白表达量变化引起。
**分支型O-Man聚糖负调控NF186与Contactin 1的相互作用**
免疫共沉淀显示Mgat5b KO脑中NF186共沉淀的Contactin 1增多；在细胞共表达体系中，MGAT5B过表达显著减少NF186与Contactin 1的结合。结构模型提示T92和T203处的分支O-Man聚糖可能通过空间位阻或与N-聚糖的相互作用减弱复合物稳定性。
**分支型O-Man聚糖在维持节点结构中的神经元自主作用**
在Mgat5b KO小鼠运动皮层第5层神经元中通过AAV恢复MGAT5B表达（Syn启动子驱动），可显著挽救节点扩大，表明MGAT5B在神经元的细胞自主作用。

**讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，Mgat5b KO小鼠轴突传导的时间精度丧失可能解释了旋转杆行为缺陷，而运动皮层胼胝体投射中的传导异常是潜在机制。节点扩大可能源于旁结节形成异常，因为Contactin 1与NF186的过度结合会减少Contactin 1在旁结节区的分布，从而削弱屏障功能。尽管本研究聚焦神经元，但MGAT5B在少突胶质前体细胞中也有低表达，其是否修饰NF155尚待探究。研究还强调，脑内O-Man聚糖的载体蛋白大多未知，需开发非偏倚的糖蛋白组学方法。
结论部分翻译如下：本研究证明MGAT5B在郎飞结形成与维持中发挥关键作用，并维持轴突传导的时间精度。研究人员的发现建立了节点扩大与运动协调行为缺陷之间的功能联系，揭示了分支型O-Man聚糖在中枢神经系统中的生理功能。虽然NF186特定糖基化状态与节点扩大及传导异常之间的确切因果关系尚需进一步阐明，但本研究为理解聚糖介导的轴突调控奠定了基础。此外，条件性敲除Mgat5b将更直接地阐明MGAT5B在节点组织中的时间及细胞类型特异性作用。持续研究MGAT5B的生理与病理角色，不仅将加深对脑内O-Man聚糖功能的理解，也有助于阐明脱髓鞘疾病和脑肿瘤的聚糖介导机制。