Adv Sci丨齐岭/石国军/崔隽等揭示内分泌神经元中防止激素前体在内质网中聚集的“双保险”机制

在人类神经内分泌系统中，激素前体的正确折叠与分泌至关重要，是维持生命活动的基石。这一过程的失衡可导致发育异常、肥胖、中枢性尿崩症等多种内分泌代谢性疾病。为应对这一挑战，细胞进化出复杂的内质网质量控制 （ERQC） 机制对上述过程进行严密监控及提供相应保护。该机制核心在于防止激素前体蛋白在内质网中错误折叠、累积或形成聚集体。其中内质网相关降解 （ERAD） 通路和自噬 （autophagy） 通路是两道关键的防线。文献报道ERAD通路中最保守的一条分支SEL1L-HRD1通路可识别并清除未折叠蛋白；自噬则通过溶酶体途径降解不溶性蛋白聚集体及受损细胞器。然而，这两大ERQC系统在生理条件下内分泌神经元中如何动态协作仍不清楚。

近日，中山大学附属第三医院石国军教授团队、美国弗吉尼亚大学齐岭教授团队、中山大学生命科学学院崔隽教授团队合作在Advanced Science上发表了题为Coordinated Role of Autophagy and ERAD in Maintaining Neuroendocrine Function by Preventing Prohormone Aggregation的研究论文，该研究以小鼠下丘脑中血管加压素（AVP）神经元为模型，共同揭示了ERAD、自噬这两种ERQC系统动态协作、维持精氨酸加压素原（proAVP）的成熟与神经元功能的新机制。

作者首先通过利用数据库对不同发育时期小鼠下丘脑神经元单细胞测序结果进行分析，标记出了包括10种内分泌神经元在内的32个神经元细胞群。作者发现，在小鼠胚胎期 （E15.5-17.5） 、刚出生 （D0-2） 及出生后 （D10-23） 三个阶段，内分泌神经元中 “自噬”与“内质网应激响应”通路活性显著上调，且这种趋势在绝大部分其它神经元中同样存在。而其中激活状态变化最显著的是AVP神经元与AgRP神经元。作者进一步以AVP神经元为模型，发现不同AVP神经元中，合成AVP的mRNA水平与其中ERAD及自噬通路活性水平正相关。为深入解析AVP神经元中proAVP的质控机制，作者应用TurboID邻近标记技术发现野生型proAVP不仅和内质网相关蛋白结合 （如ERAD关键蛋白Sel1L） ，而且与溶酶体相关蛋白 （如GRN） 结合，提示proAVP蛋白质量控制可能需要ERAD与自噬的协同参与。在此基础上，作者构建了AVP神经元特异性自噬缺陷小鼠 （Atg7AVP） 和ERAD缺陷小鼠 （Sel1LAVP） ，发现Sel1LAVP小鼠出生3周龄时即能检测到尿崩症表型，但Atg7AVP小鼠在6月龄左右才逐渐出现尿崩症表型，提示自噬缺陷的AVP神经元导致迟发型中枢性尿崩症。通过下丘脑室旁核 （PVN，AVP神经元富集区之一） 区域免疫荧光染色、同位素标记原位RNA杂交及同位素成像等技术，发现自噬通路缺陷AVP神经元中错误折叠proAVP累积及内质网应激较ERAD缺陷小鼠减少，而proAVP成熟效率 （轴突中与细胞体中proAVP的比值） 与对照小鼠相当。通过高渗透压模型对增加神经元中proAVP合成及分泌，则发现自噬缺陷小鼠不再能够代偿分泌足够AVP而表现出较野生型小鼠更严重、与ERAD缺陷小鼠相似的尿崩症表型。染色发现自噬缺陷小鼠在高渗压力下，成熟而在轴突中分布的proAVP较正常饮水模型显著减少，而内质网应激则显著激活，表明自噬缺陷AVP神经元中可能存在代偿机制保护其功能，而高渗条件下该代偿通路活性可能已到平台期或耗竭，从而发生尿崩症。

为进一步探索自噬缺陷AVP神经元维持proAVP成熟效率的代偿机制，作者通过WB\TurboID等体外实验证实，ERAD选择性降解错误折叠proAVP单体，而自噬通路则通过FAM134B这一自噬受体依赖途径特异性降解proAVP聚集体。此外，作者意外发现，自噬通路可通过FAM134B依赖的机制降解ERAD关键E3连接酶HRD1；在小鼠中同样发现自噬缺陷AVP神经元中，HRD1蛋白水平显著升高。作者前期报道HRD1可降解内质网中错误折叠proAVP，上述结果提示神经元可能通过ERAD通路的代偿性激活以保护因自噬缺陷引起的错误折叠proAVP累积及神经元损伤。非常有意思的是，作者发现小鼠AVP神经元中HRD1蛋白水平随鼠龄增长而升高，且轴突中成熟proAVP显著减少，提示衰老过程中内分泌神经元proAVP等肽类激素合成后错误折叠增加，因而需要更高ERAD通路活性增强错误折叠蛋白清除，以维持内分泌神经元正常功能。而在自噬通路缺陷AVP神经元中，HRD1处于较高表达水平，其水平无法随年龄增长及而持续增加，提示ERAD代偿功能或活性可能已处于高位或因长期激活而处于耗竭状态，因此在6月龄小鼠开始表现出尿崩症症状。为了验证上述假说，作者构建了AVP神经元特异性自噬及ERAD双缺陷小鼠 （Atg7;Sel1LAVP AVP） ，发现双缺陷小鼠出现较单缺陷小鼠更严重的尿崩症表现。通过对小鼠予以高渗压力模型，发现自噬或ERAD通路缺陷均较正常鼠更早发生脱水死亡，而双基因缺陷小鼠则较单基因缺陷死亡时间显著提前，表明小鼠适应渗透压改变需要ERAD及自噬通路的协同作用。

综上所述，上述研究揭示了ERAD与自噬动态协同作用确保proAVP正确合成的质量控制机制，并提出了“激素前体成熟双重保护系统 （Dualprotection system ofprohormone maturation in theER, DuPPE；PPE乃借用英文中实验室常用的Personal Protection Equipment，个人安全防护设备这一简称） ”这一模型，为人们理解神经内分泌激素缺乏相关疾病的发生、发展提供了新的视角，也为内分泌代谢病及神经退行性疾病等蛋白错误折叠相关疾病的治疗及药物研发提供了新靶点、新策略、新思路。

图解：ERAD通路与ER-phagy通路为神经内分泌细胞中proAVP的成熟过程提供了“双保险”。（1）正常条件下，proAVP内质网中合成后，约95%会正确折叠而转运出内质网；约5%会发生错误折叠，需要被重新折叠或被内质网质控机制第一道防线（保险）-ERAD通路降解（Shi G., et al., Qi L., JCI, 2017）。（2）如果大量错误折叠proAVP在内质网中累积（如长期高渗透压压力等），超过了ERAD通路降解能力，则错误折叠proAVP会发生分子间二硫键交联而形成不溶的聚集体（aggregates）。此时，内质网质控机制第二道防线-ER-Phagy激活，在FAM134B 辅助下，选择性降解proAVP聚集体。（3）如果ERAD和Autophagy中一条通路缺失，则另一条通路会激活；ERAD缺失会引起Autophagy激活，直接帮助清除proAVP聚集体；Autophagy缺失则会激活ERAD，直接降解可溶性的错误折叠proAVP，从而减少proAVP聚集体累积；如果两条通路同时缺失，则大量错误折叠proAVP形成聚集体，引起内分泌神经元细胞失能或死亡。ERAD和Autophagy两条通路相互协调，组成保护proAVP等易发生错误折叠肽类激素成熟及相应神经元功能的两道防线，为肽类激素等的产生提供了“双保险”。

中山大学附属第三医院潘序雅医生、中山大学生命科学学院何星博士、中山大学附属孙逸仙纪念医院吴苏助理研究员、中山大学附属第三医院硕士生熊娜为本文的并列第一作者。中山大学附属第三医院石国军研究员、美国弗吉尼亚大学齐岭教授、中山大学生命科学学院崔隽教授为该研究论文的共同通讯作者。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411662

制版人：十一

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