综述：果蝇脑修复手册

《International Journal of Molecular Sciences》：The Repair Manual of a Fruit Fly Brain

　　

大脑是结构复杂的器官，其多样的功能与可塑性对应着精密的组织架构。大脑通过整合感觉输入与内部生理状态，调控平衡、姿势、运动、言语、情绪、记忆形成及学习能力。无论是创伤、疾病还是卒中导致的大脑结构破坏，均会对个体的躯体、行为、情绪及认知健康造成长期影响。利用模式系统开展比较研究以鉴定有效疗法与治疗手段，对阐明大脑再生过程的潜在机制至关重要。本综述聚焦于模式生物黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），该物种拥有丰富的分子与遗传学工具，可用于探究神经再生过程。

1. 1.
   引言
   神经退行性疾病全球患病人数众多，是导致功能衰退、长期残疾及死亡的重要且呈增长趋势的原因，其中阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）与创伤性脑损伤（TBI）是三大主要致病因素。这些疾病不仅直接影响患者，还通过人际关系、照护压力及医疗负担产生广泛社会影响。为预防和治疗神经退行性疾病，亟需阐明神经元与胶质细胞再生的分子机制。研究人员在综述中明确定义：“神经发生”（neurogenesis）特指新神经元的生成，“胶质发生”（gliogenesis）特指新胶质细胞的生成，二者虽在脊椎动物与果蝇发育阶段共享部分前体细胞，但因胶质细胞在清除细胞碎片、提供支架、改善信号传导及参与免疫应答等方面具有独特功能，故作区分；此外，脊椎动物脑稳态过程中胶质发生常见而神经发生罕见，进一步支持该分类的必要性。果蝇作为经典遗传模式生物，75%以上的人类疾病相关基因存在同源基因，且神经递质系统（如多巴胺、γ-氨基丁酸（GABA）、谷氨酸、乙酰胆碱、血清素及功能等效于人类去甲肾上腺素的章鱼胺）与脊椎动物保守。果蝇蘑菇体因在学习和记忆中的功能，常类比于哺乳动物海马体；其脑内胶质细胞与神经元比例（大部分区域约2:10，蘑菇体周围可达6:10）与人类公认的1:1比例更为接近，且神经元数量（~1.4×10⁵）远少于人类（~8.6×10¹⁰），使全脑水平实验成为可能。果蝇与哺乳动物神经系统发育及稳态通路的保守性进一步支持其研究相关性，如Hedgehog、Wnt/Wingless、Janus激酶-信号转导与转录激活因子（JAK-STAT）及Hippo等通路在物种间功能保守，为神经再生研究提供了坚实基础。
2. 2.
   成年哺乳动物的稳态与神经损伤反应
   成年哺乳动物神经系统的神经发生认知持续更新：早期研究认为出生后哺乳动物脑无法生成新神经元，后续研究证实啮齿类脑内脑室下区（SVZ）与海马齿状回颗粒下区（SGZ）存在稳态神经发生，人类成年齿状回亦有类似报道。健康成熟哺乳动物中枢神经系统的低水平细胞增殖为探究稳态及损伤诱导的神经/胶质生成机制提供了窗口。神经损伤可分为原发性损伤（损伤即刻发生的组织撕裂、神经元与胶质细胞挤压及血脑屏障破坏）与继发性损伤（后续的细胞与分子级联反应，如炎症导致的营养供应障碍、活性氧生成引发的氧化应激及线粒体电子传递链破坏，最终导致细胞死亡或功能受损）；其中短暂炎症反应可能有益，而持续炎症则有害。严重损伤后，反应性星形胶质细胞增殖形成胶质瘢痕，早期观点认为其通过释放炎症因子、阻断突触发生加剧损伤，后续研究证实瘢痕可保护未受损神经组织，功能包括封闭损伤灶防止扩散、调控脑血流、调节免疫及促进神经发生。发育过程中，星形胶质细胞除支持神经环路外，还作为吞噬细胞清除正常发育中凋亡的突触与神经碎片；损伤后微环境决定细胞反应，胶质细胞需清除残留碎片，同时分泌生长因子、细胞因子等多种蛋白质参与再生过程，因此神经发生与胶质发生的协调对脑与脊髓损伤后的再生至关重要。
3. 3.
   果蝇的神经发育
   果蝇中枢与外周神经结构因物理操作便捷、遗传工具丰富及对神经发育的深入理解，近年成为神经再生研究的有力模型。胚胎期神经前体（神经母细胞，NBs）不对称分裂，自我更新并产生神经节母细胞（GMCs），最终分化为神经元与胶质细胞；异常条件下（如细胞命运或极性突变），GMCs可出现分裂次数异常及子系分化缺陷。胚胎神经发生结束后，幼虫期NBs或凋亡或进入细胞周期停滞的静息状态，胚胎期形成的神经系统调控幼虫功能，静息NBs用于变态过程中的广泛重构。果蝇胶质细胞在发育轴突、树突及神经突修剪及经验依赖性突触重塑中发挥关键作用。幼虫脑内存在多类NBs：I型、II型NBs与蘑菇体神经母细胞（MBNBs）贡献于中枢脑，视叶由特化NBs衍生；其中I型、II型NBs、MBNBs及部分视叶NBs表达deadpan（dpn）基因，其编码的碱性螺旋-环-螺旋转录因子参与NB发育中的转录抑制；I型NBs还表达asense（ase），其编码的bHLH转录因子促进NB向GMCs转化。多数NBs在化蛹后20–30小时退出细胞周期，受蜕皮激素信号与中介复合体调控；而每脑半球4个MBNBs因胰岛素样生长因子II mRNA结合蛋白（Imp）的持续表达抑制中介复合体组分，可持续增殖至化蛹后85–90小时，部分条件下甚至存活至成年，其可通过表达tailless（tll，编码维持MBNBs与GMCs增殖的核受体）进行可视化。MBNBs较晚退出细胞周期的特征提示蘑菇体可能存在损伤诱导的成年神经发生，且其嗅觉学习记忆功能与人类海马体（亦存在成年神经发生证据）类似。

3.1 成年果蝇脑的稳态神经发生与胶质发生

传统观点认为成年果蝇脑无细胞增殖，神经发生与胶质发生在发育阶段即已完成。后续研究发现成年果蝇脑内胶质细胞可在程序性细胞死亡后增殖，溴脱氧尿苷（BrdU）标记与克隆分析进一步证实成年脑存在稳态细胞增殖，标记细胞主要聚集于触角叶腹外侧，且多为表达胶质蛋白Reversed polarity（Repo）的胶质细胞。采用改进的细胞谱系追踪技术（perma-twin）在成年视叶髓质皮层检测到新生神经元，其表达神经元蛋白Embryonic lethal, abnormal vision（Elav），突起投射至神经毡，且源于表达经典NB蛋白Dpn的细胞；值得注意的是，未损伤成年脑内Dpn主要定位于细胞质（提示静息状态），损伤后分裂NBs中Dpn转位至细胞核，该发现推动了以损伤诱导成年脑再生反应的研究。

3.2 幼虫与成年果蝇神经再生模型

果蝇神经再生模型多聚焦于损伤轴突与树突的再生，少部分关注新神经元与胶质细胞的生成。

3.2.1 果蝇幼虫神经挤压

该模型靶向果蝇幼虫节段神经（含感觉与运动轴突），损伤后幼虫后段瘫痪，但仍可进食并存活至羽化，成虫活动能力完全恢复。损伤后14小时内70–80%的损伤轴突出现再生生长迹象；早期神经损伤处变薄、拉伸，无法容纳囊泡运输，导致囊泡堆积。c-Jun N末端激酶（JNK）信号通路参与该损伤反应，上调胶质吞噬作用并保护轴突免于变性：轴突损伤激活MAPKKK Wallenda（Wnd），启动JNK级联反应，E3泛素连接酶Highwire反馈抑制Wnd；Wnd活性升高可保护轴突免于变性，且Wnd水平升高伴随Highwire水平降低与轴突再生加速相关，Wnd还参与培养的蘑菇体神经元神经突萌发，JNK信号与果蝇淀粉样前体蛋白样蛋白（APPL）的相互作用促进成年脑发育后神经突分支形成。后续啮齿类损伤模型证实，果蝇highwire的哺乳动物直系同源基因Phr1在瓦勒变性（损伤轴突与胞体分离后发生细胞骨架与膜碎片化的过程）中起关键作用，Phr1敲除小鼠的瓦勒变性延迟，且Phr1缺失导致轴突存活分子烟酰胺单核苷酸腺苷转移酶2（NMNAT2）水平升高，提示该机制的跨物种保守性。

3.2.2 果蝇幼虫神经突消融

激光消融可精准损伤树突或轴突，弥补神经挤压损伤肌肉与表皮的不足。帕金森病（PD）与亨廷顿病（HD）等神经退行性疾病中，树突与轴突随时间逐渐变薄、退化；果蝇树突消融模型中，感觉神经元在损伤后24–72小时可再生出与同龄未损伤神经元数量一致的树突分支，且该再生过程伴随神经保护作用，涉及肌动蛋白细胞骨架的早期稳定，具有树突特异性（轴突或胞体损伤不诱导该反应）。此外，哺乳动物Wallerian变性慢（Wld^s）蛋白（Ube4b与Nmnat1的融合蛋白）在果蝇中表达时亦表现出神经保护功能，与哺乳动物中的活性一致。

3.2.3 果蝇成年神经挤压

该模型通过镊子夹伤成虫后胸节段神经，导致T3足功能丧失与运动障碍，损伤触发成年果蝇胶质细胞增殖并最终实现运动功能恢复。果蝇胶质细胞具有代谢支持、构成血脑屏障、吞噬作用及参与突触重塑等功能，其中神经毡相关胶质细胞（NPG）分为星形胶质样胶质细胞（ALG）与包裹胶质细胞（EG）。研究表明ALG参与中枢神经系统（CNS）修复，且在成年神经挤压后发生分裂，而EG无分裂现象；但二者均可通过转分化生成新神经元。

3.2.4 果蝇成年翅神经消融

果蝇翅因结构透明，可利用荧光蛋白标记活体观察翅脉轴突再生轨迹，翅轴突消融模拟TBI诱导的轴突损伤，保留胞体与近端轴突，便于分析轴突特异性再生。翅第一纵脉（L1）神经的远端轴突消融后发生瓦勒变性，激活的胶质细胞清除碎片以准备再生；羽化后6小时内的年轻成虫中，50%的绿色荧光蛋白（GFP）标记神经元在损伤后7天出现轴突再生；羽化后3天的老龄果蝇轴突变性更广泛，但长时间后仍可见显著再生，提示果蝇衰老后仍保留一定再生能力。此外，消融后成虫翅内可观察到瘢痕形成，荧光标记葡聚糖无法穿透瘢痕，提示瘢痕可能作为轴突再生的物理屏障，该现象与哺乳动物CNS瘢痕的作用类似（哺乳动物瘢痕除物理屏障外，星形胶质细胞分泌的硫酸软骨素蛋白聚糖（CSPGs）亦可抑制轴突生长）。近期研究亦表明哺乳动物瘢痕内星形胶质细胞可表达层粘连蛋白、多配体蛋白聚糖及 Decorin等轴突生长促进因子，果蝇中可能存在类似机制。JNK通路参与瘢痕形成与轴突变性，其在哺乳动物中的作用复杂：逆行JNK转运可调控损伤反应分子ATF3转录及c-Jun磷酸化，促进轴突生长；而果蝇中表达JNK显性负突变体反而增强轴突再生，提示JNK在果蝇再生与瘢痕形成中可能发挥非细胞自主作用，而非内在调控作用。

3.2.5 果蝇成年脑轴突切断

研究人员建立离体成年果蝇脑模型以探究CNS修复，通过精准切断成虫脑小块侧部腹侧神经元（sLNv）轴突，发现其轴突再生潜力极低，但通过遗传操作增强蛋白激酶A（PKA）或JNK信号可显著促进轴突再生，且JNK激活可使新生轴突穿过损伤位点并延伸至正确靶区。

3.2.6 果蝇成年穿透性创伤性脑损伤（PTBI）

该模型通过细针穿刺损伤果蝇视叶或中枢脑以诱导胶质发生与神经发生，损伤后不同时间点解剖脑并进行共聚焦显微镜成像以观察增殖细胞，常用5-乙炔基-2'-脱氧尿苷（EdU，掺入新合成DNA）与抗磷酸组蛋白H3（anti-pH3，标记G2/M期细胞）标记增殖细胞。视叶损伤后可生成新神经元与新胶质细胞，Dpn阳性细胞被鉴定为静息神经前体，损伤后Dpn从胞质转位至核内，提示其从静息转为增殖状态。中枢脑损伤后亦观察到新神经元与新胶质细胞生成，新胶质细胞出现较早，源于已存在的胶质细胞；新神经元的起源尚不明确，但可能与瞬时激活的dpn表达细胞相关。视叶损伤后胶质细胞产生的活性氧（ROS）通过JNK信号刺激细胞增殖，中枢脑损伤后的细胞增殖则依赖先天免疫通路，二者是否存在交叉调控仍需进一步研究。

1. 4.
   结论与未解问题
   本综述系统梳理了果蝇神经系统 crush模型、轴突与树突消融模型及穿透性创伤性脑损伤模型的再生证据，证实果蝇损伤后可再生神经突、胶质细胞与神经元，但仍存在关键科学问题：其一，成年脑损伤后新生胶质细胞与神经元的细胞起源尚未完全明确，虽有证据表明中枢脑与视叶的新生胶质细胞源于已存在的胶质细胞，但尚不清楚是否存在特定胶质细胞亚群可重新进入细胞周期；其二，成年新生神经元的起源仍存争议，视叶新生神经元源于静息dpn表达NBs，而中枢脑中未观察到类似现象。未来研究可结合再生过程的活体成像追踪细胞动态，或利用单细胞测序联合伪时间与RNA速率算法预测细胞命运并解析分子机制。尽管果蝇缺乏适应性免疫与血管网络，限制了其对人类神经退行性疾病的模拟精度，但解析果蝇神经修复的基础分子机制，将为鉴定治疗靶点、解锁人类大脑再生潜力提供关键理论依据。