Nat Neurosci：你的RNA，听谁的？哈佛大学团队揭示生长锥动态RNA调控机制

神经元在大脑发育时，会伸出“触角”去找到正确的连接目标。这个“触角”的尖端叫生长锥（GC），它会携带特定的RNA指令来指导怎么长、连到哪儿。

基于此，2025年12月29日，哈佛大学Jeffrey D. Macklis 研究团队在nature neuroscience杂志发表了“Dynamic subtype- and context-specific subcellular RNA regulation in growth cones of developing neurons of the cerebral cortex”揭示了发育中大脑皮层神经元生长锥内动态的、亚型和情境特异性的亚细胞RNA调控。

这项研究聚焦于发育中大脑皮层两类长距离投射神经元的“生长锥”（轴突前端的导航结构），首次系统比较了它们在不同发育阶段生长锥内的局部mRNA组成。研究发现，这些mRNA不仅参与调控轴突生长、靶向连接和突触形成等关键过程，还富集了许多与神经发育障碍和精神疾病相关的基因。作者进一步识别出mRNA 3′非翻译区中引导其定位到生长锥的特定序列“标签”并验证了CPEB4和RBMS1等调控因子在轴突分支和胼胝体环路形成中的重要作用。该工作揭示了神经元如何通过局部mRNA精准控制轴突发育，为理解自闭症、精神分裂症等疾病的分子机制提供了新线索，也为其他极性细胞（如神经元以外的细胞）的亚细胞功能研究提供了通用框架。

图一 皮层投射神经元亚型拥有空间分隔、功能特异的待激活转录组

为探究不同类型神经元如何通过亚细胞层面的分子机制构建特异性神经环路，研究人员在两个发育时间点分别分离了胼胝体投射神经元（CPN）和皮质丘脑投射神经元（CThPN）的GC与胞体，并进行高精度RNA测序。

他们利用荧光标记结合亚细胞分选技术精准获取发育中小鼠脑内的GC样本，并通过比对输入样本排除环境RNA污染，最终鉴定出CPN中865个、CThPN中624个真正富集于GC的基因。分析发现，这些GC富集基因主要参与蛋白质翻译和突触形成等过程；整体上，亚细胞定位（GC vs 胞体）是转录组差异的主导因素。考虑到两类神经元发育节奏不同（CThPN比CPN早约两天完成轴突靶向），研究进一步按“发育阶段”而非绝对日龄进行比较，结果显示：同一类型神经元在不同时间点的GC更相似，而不同类型之间的GC差异更大。

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这表明，神经元不仅依赖特定基因，还通过精确的时间调控，将正确的RNA运送到生长锥，从而指导特异性神经环路的形成。

图二 CPN与CThPN拥有调控轴突导向的特异性生长锥转录组

接下来，作者比较了两种皮层投射神经元（CPN和CThPN）生长锥（GC）中RNA的差异，筛选出509个可比基因，其中 99个在CPN的GC中富集，185 个在 CThPN 中富集。这些差异可能来自两方面：一是胞体本身的基因表达不同，二是 RNA 被运输到GC的方式或稳定性存在亚型特异性，后者对许多 GC 特有基因更重要。

值得注意的是，自闭症和精神分裂症相关基因在两类神经元的GC和胞体中都显著富集，尤其是约三分之一的自闭症风险基因出现在GC中，提示局部 RNA 调控异常可能直接参与神经发育障碍。

功能分析还发现：CThPN 的 GC 更多富集与蛋白质合成（如核糖体、翻译）相关的基因，而CPN的GC则富集调控肌动蛋白骨架和突触形成的基因（如 WAVE复合物成员Wave1/2、Actr2、Abi1），反映出两者处于不同发育阶段，对局部 RNA 的需求也不同。

图三 两种神经元生长锥mRNA共有的CPEB4相关3′UTR特征

研究人员发现，不同类型的皮层投射神经元会将特定的mRNA运送到轴突前端（即生长锥），以支持局部蛋白质合成，从而指导轴突生长和靶向连接。这些mRNA的3′非翻译区（3′ UTR）通常更长，并富含特定序列（如富含尿嘧啶的CPE元件），可被RNA结合蛋白CPEB4识别。

CPEB4在生长锥中富集，能结合这些mRNA，在未激活状态下抑制翻译；当接收到信号（如磷酸化）后转为启动翻译，实现“按需生产”蛋白质。实验显示，敲低Cpeb4会减少神经突分支，并暂时延缓胼胝体纤维穿越中线和支配对侧皮层的过程，但后期可部分恢复，说明CPEB4主要调控发育时序而非决定命运。

此外，自闭症相关基因在这些生长锥富集的mRNA中显著富集，而CPEB4本身也与自闭症有关，提示这类局部RNA调控机制的异常可能参与神经发育障碍。

总结

理解神经元亚型特异性的轴突与生长锥中亚细胞分子机制，及其在不同亚型和环路发育阶段中的动态局部调控，有助于从机制上阐明功能特异性神经环路的形成过程以及因发育异常而导致的环路紊乱。在体研究能够明确环路精确性和复杂性建立过程中的关键发育阶段。本文所揭示的大脑皮层生长锥中动态、亚型特异且依赖发育情境的亚细胞RNA调控机制，及其在多样而精准的神经环路构建中的作用，为深入理解神经环路的组织与功能、环路发育异常、疾病风险基因的选择性易感性，以及神经发育和神经精神疾病的病因学奠定了基础。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-02173-0

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