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自闭症谱系障碍（ASD）是一种神经发育性疾病，具有社交沟通障碍和刻板重复行为两个核心特征。大约20%的ASD病例与特定的基因突变有关，其余80%则称为特发性ASD，具体病因尚未完全明确[1]。不过，越来越多的研究表明，基因表达调控的异常，尤其是RNA剪接和翻译过程的失调，可能与特发性ASD的发生密切相关。
西班牙巴塞罗那生物医学研究所（IRB Barcelona）的Raúl Méndez、Xavier Salvatella等人揭示了ASD新机制。他们发现，RNA结合蛋白CPEB4在神经元中会形成凝聚物，当神经元受到刺激时再发生溶解并促进必要蛋白质的合成。这一动态调节机制对于CPEB4调控ASD相关基因的翻译至关重要。
在这个调控机制中，CPEB4的神经特异性微外显子me4起到关键作用，可以稳定保证其发生凝聚的可逆性。当错误剪接导致me4缺失时，CPEB4倾向于形成不可逆的聚集体，导致CPEB4无法正常调控ASD相关基因的表达。
论文于近日发表在《自然》[2]。
论文首页截图
CPEB4作为一种RNA结合蛋白，在大多数组织中都有表达，但在神经系统中的表达尤为丰富，而且职责重大。CPEB4通过改变mRNA的多腺苷酸尾长来激活或抑制翻译，并参与mRNA的运输与定位，进而调控许多与神经发育相关以及ASD相关的基因表达。
不同于其它位置的CPEB4，位于神经组织的CPEB4（nCPEB4）在合成过程中特有包含一种名为me4的微外显子（microexons，长度24个碱基对）。而Raúl Méndez团队在之前的工作中发现[3]，特发性ASD患者的CPEB4缺乏me4的身影。
至于微外显子me4缺席究竟对于CPEB4功能有什么意义，又和ASD发生有什么关系，尚不清楚，这成为他们此次的探索目标。
研究者们利用携带CPEB4突变的小鼠模型和小鼠脑神经瘤细胞（N2a）进行实验，观察到nCPEB4在神经元中会形成颗粒状凝聚物。凝聚物状态下，nCPEB4与mRNA结合后会保持翻译抑制状态，无法合成相应的蛋白质，相当于暂时存储mRNA。
这些凝聚物具有高度可逆性。当神经元发生去极化时，受到细胞内pH值改变的影响，CPEB4凝聚物稳定性改变，溶解并释放出存储的mRNA，允许它们恢复翻译，从而促进必要蛋白质的合成，支持神经元的功能和发育。
也就是说，nCPEB4以这种可逆性的凝聚物-溶解方式，实现对神经元的基因表达调控。
nCPEB4的的凝集和溶解
此时大家可能已经猜到，微外显子me4的缺失会造成怎样的后果了。
一系列研究结果表明，me4对于nCBEP4而言是一个重要的插件，有助于凝聚物的溶解和重新组装。
具体来说，me4通过与nCPEB4的特定区域氨基酸残基相互作用，维持nCPEB4凝聚物的动态性和可逆性，抑制异常聚集的发生。但是，nCPEB4的错误剪接会导致缺失me4，缺乏me4的nCPEB4（nCPEB4Δ4）倾向于形成不可逆的聚集体，致使神经元去极化刺激后无法有效释放存储的mRNA，最终影响nCPEB4调控基因翻译的能力。
nCPEB4的微外显子缺失促进其形成不可逆的聚集体
研究者们发现，nCPEB4和缺失me4的nCPEB4Δ4这两种异构体共同在神经元中表达，具有相似的动力学特性。随着nCPEB4Δ4的比例小幅上升，它对nCPEB4调控的mRNA翻译产生显性负向效应。换句话说，nCPEB4Δ4的增加会抑制nCPEB4的功能。
小鼠模型实验结果显示，nCPEB4在正常小鼠大脑中大部分可溶，而在ASD小鼠中倾向于形成更多的稳定且高分子量的聚集体。这表明，nCPEB4和nCPEB4Δ4的占比失调可以通过增加不可溶性聚集体的形成，损害nCPEB4对神经元以及ASD相关基因的调节活性。
针对这些发现，研究者们提出了潜在的治疗策略。他们设计了一种包含me4序列的合成肽。实验结果显示，这种肽能有效引入到nCPEB4的凝聚物中，并通过增强热力学稳定性来减少异常聚集。
me4是解决CPEB4的异常聚集的关键
这项研究是了解特发性自闭症分子机制的重要一步，并强调了短基因序列在调控关键细胞功能方面的重要性。虽然还有许多问题有待研究，但这些发现为恢复CPEB4功能、开发自闭症疗法提供了一个新方向。论文作者表示，“我们的研究结果表明，即使微外显子包含比例的微小减少，也会产生重大影响。这就解释了为什么一些没有基因突变的人会患上特发性自闭症。”
参考文献：
[3]Parras A, Anta H, Santos-Galindo M, et al. Autism-like phenotype and risk gene mRNA deadenylation by CPEB4 mis-splicing. Nature. 2018;560(7719):441-446. doi:10.1038/s41586-018-0423-5
本文作者丨张艾迪