IQSEC2和ARF1参与了齿状回的发育过程

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》：IQSEC2 and ARF1 are involved in the development of the dentate gyrus

　　

摘要

IQ结构域和包含SEC7结构域的蛋白质2（IQSEC2）是一种鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF），可作用于ARF家族的小GTP酶，由位于Xp11.22染色体上的IQSEC2基因编码。在患有神经发育障碍的患者中，已经发现了超过120种IQSEC2的致病性变异。在本研究中，我们利用体内电穿孔技术探讨了IQSEC2在新生小鼠齿状回发育中的作用。将含有GFP表达载体和靶向IQSEC2的短发夹RNA（shRNA）一同电穿孔后，发现齿状回颗粒神经元停留在颗粒细胞层与齿状回基部（GCL/hilus）的交界处。与对照组细胞相比，IQSEC2缺陷的齿状回颗粒细胞表现出更复杂的远端树突结构。IQSEC2的敲低还减少了树突棘的头部直径，但未影响其密度。相反，外源性IQSEC2的表达增加了新生齿状回颗粒细胞的近端树突复杂性。我们检测了IQSEC2作为GEF的ARF选择性活性，发现它能够激活ARF1、ARF3和ARF6。功能分析显示，ARF1的敲低也使齿状回颗粒细胞局限在GCL/hilus区域，这与IQSEC2敲低后的观察结果一致。而ARF3或ARF6的敲低则没有显著影响。综上所述，这些结果表明IQSEC2和ARF1在调节新生齿状回神经元的定位和树突发育中起着关键作用。

引言

IQ结构域和包含SEC7结构域的蛋白质2（IQSEC2），也被称为brefeldin A抵抗型ARF鸟嘌呤核苷酸交换因子1（BRAG1），是一种激活ADP-核糖酰化因子（ARF）家族小GTP结合蛋白的鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）。IQSEC2基因位于Xp11.22染色体上，编码一种多结构域蛋白质，包括N端的卷曲-卷曲（CC）结构域、IQ样结构域、Sec7结构域、pleckstrin同源性（PH）结构域以及C端的PDZ结合结构域。IQSEC2在大脑中表达丰富。在成体海马中，IQSEC2的mRNA存在于多个区域的神经元胞体和树突中，包括CA1-CA3区域的origin层、radiatum层、lacunosum-moleculare层和molecular层，以及齿状回的molecular层[1]。在脑发育过程中，IQSEC2的mRNA表达在锥体神经元和齿状回颗粒细胞中逐渐增加[1]，这表明它可能在神经元成熟过程中发挥作用。在亚细胞水平上，IQSEC2在突触后密度（PSD）区域富集[2][3]，并与PSD95[1][3]、IRSp53[4][5]、PSD93、SAP97和CaMKIIα[1]等关键突触后蛋白形成复合物。与此定位一致，IQSEC2被认为参与了突触后谷氨酸受体信号传导。在未成熟的皮质神经元中，GluN2B-IQSEC2信号通路可诱导ARF6的持续激活[6]。钙离子内流激活NMDA受体后，会增强IQSEC2的催化活性，从而促进ARF6的激活和下游JNK信号通路的传导，进而促进含GluA1的AMPA受体的内吞作用[7]。此外，也有报道指出IQSEC2通过非GEF活性机制增强AMPA介导的突触反应[8]，表明IQSEC2可能通过催化和非催化途径调节突触功能。

一项对X染色体外显子进行测序的项目在非综合征性X连锁智力障碍（XLID）患者中发现了IQSEC2基因中的四个突变[9]。此后，在受影响个体中又发现了超过120个其他突变，包括无义突变、停义突变和错义突变[10]。这些错义突变主要集中于IQ结构域、Sec7结构域和PH结构域，可能导致ARF-GDP向ARF-GTP转化的催化活性受损。为了阐明IQSEC2在神经发育障碍（NDDs）中的作用，研究人员采用了基于短发夹RNA（shRNA）的基因敲低方法[11]。在原代培养的海马神经元中敲低IQSEC2会导致轴突长度缩短，同时增加树突复杂性和突起形成。从IQSEC2敲除小鼠衍生的神经元中也观察到了类似表型[11]。相反，IQSEC2的过表达会缩短轴突长度并简化树突分支[11]。雄性和雌性敲除小鼠都表现出频繁的癫痫发作[12]。进一步使用杂合雌性小鼠的研究发现，这些小鼠表现出类似自闭症的行为和认知缺陷[12]。此外，在NDD患者中还发现了包含IQSEC2、TSPYL2和KDM5的Xp11.2微重复序列[13]。这些发现共同表明，适当的IQSEC2剂量和活性对神经系统正常发育至关重要。

章节片段

伦理声明

所有动物实验均遵循日本文部科学省发布的《学术研究中正确进行动物实验及相关活动的基本指南》进行。爱知发育障碍中心开发研究所的动物护理和使用委员会审查并批准了所有动物处理和治疗方案（批准编号：2019–013）。

质粒构建

小鼠IQSEC2

IQSEC2敲低对新生齿状回颗粒细胞定位的影响

有研究表明，从P5到P10阶段，齿状回中的IQSEC2 mRNA表达水平逐渐升高[1]，提示IQSEC2可能参与新生齿状回的发育。然而，其在这一发育阶段的精确功能尚不清楚。为了解决这个问题，我们采用了实验室先前开发的基于电穿孔的体内基因转移方法来敲低齿状回颗粒细胞前体中的IQSEC2表达。

讨论

IQSEC2基因的突变与智力障碍相关，并常伴有癫痫发作和自闭症谱系障碍[10]。然而，IQSEC2在大脑发育中的作用及其失调的病理生理意义仍不完全清楚。在本研究中，我们利用之前建立的体内电穿孔方法探讨了IQSEC2在新生齿状回发育中的作用。

作者贡献声明

Hidenori Ito：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。Tomoki Ishiguro：研究实施。Koh-ichi Nagata：撰写 – 审稿与编辑、指导、资金获取。

伦理声明

本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。

本研究得到了爱知发育障碍中心开发研究所动物护理和使用委员会的批准（批准编号：2019-013）。

我们确认本文不存在任何利益冲突。本研究的开展未接受任何可能影响结果的财务支持。

致谢

我们感谢Kawamura Noriko女士、Hane Nobuko女士和Ishidou Ayumi女士提供的技术协助。

本研究部分得到了日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）资助（项目编号：22H03049、25K02630、25K11119），以及武田科学基金会的资助。

Hidenori Ito | Tomoki Ishiguro | Koh-ichi Nagata爱知发育障碍中心开发研究所分子神经生物学系，日本爱知县Kasugai市Kamiya 713-8，480-0392