表皮膜相关周期性骨架通过限制内吞稳定神经元-表皮连接并保护轴突

《SCIENCE ADVANCES》：An epidermal membrane-associated periodic skeleton restricts endocytosis to stabilize neuron-epidermal attachment and preserve axons

本研究针对神经元轴突在机械应力下易损伤的难题，揭示了秀丽隐杆线虫表皮细胞中由SPC-1/α-Spectrin和UNC-70/β-Spectrin构成的周期性骨架（epidermal MPS）。该结构由轴突诱导形成，通过限制细胞黏附分子SAX-7/L1CAM的内吞作用稳定神经元-表皮连接，从而非自主性保护轴突完整性。研究为理解跨组织机械保护机制提供了新范式，对神经系统退行性疾病机制研究具有重要启示。

　　

神经元是人体中最脆弱的细胞之一，其细长的轴突需要跨越漫长距离传递信号。这些轴突如同精致的电缆，容易在身体运动产生的机械应力下受损。尽管科学家早已发现轴突内部存在由Spectrin蛋白构成的膜相关周期性骨架（MPS），像弹簧一样帮助轴突抵抗拉伸，但近年来有证据表明，包裹轴突的表皮组织也可能提供额外的保护层。然而，表皮细胞中的Spectrin如何组织？它如何与神经元协作？这些关键问题始终悬而未解。

发表在《科学进展》（Science Advances）上的这项研究，利用秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）这一模式生物，首次揭示了表皮细胞中存在的周期性Spectrin骨架，并将其命名为“表皮MPS”。研究人员发现，这一结构并非预先形成，而是由发育中的轴突主动“塑造”出来的分子印迹。当轴突延伸时，它们会诱导相邻表皮细胞中的SPC-1/α-Spectrin和UNC-70/β-Spectrin组装成周期约200纳米的新月形支架，紧紧环抱轴突。更惊人的是，即使人为切断轴突，再生的轴突仍能重新诱导表皮MPS的形成，而退化轴突段的表皮印迹则会消失，证明该结构的动态可塑性。

为了解析表皮MPS的纳米级结构，团队采用三维结构光照显微镜（3D-SIM）进行超分辨率成像。结果显示，表皮MPS与轴突内的MPS以相同相位对齐排列，形成跨细胞的协同结构。通过组织特异性基因敲除技术，研究者发现表皮MPS的组装不依赖于轴突MPS，反之亦然，表明两者可独立形成。但功能上，表皮MPS却至关重要：当特异性敲除表皮中的UNC-70/β-Spectrin后，机械感应神经元和运动神经元的轴突出现大量断裂；而仅敲除神经元内的Spectrin则未引起显著损伤，证明表皮MPS是轴突保护的主要执行者。

机制研究表明，表皮MPS通过抑制网格蛋白介导的内吞作用来稳定细胞黏附分子。在缺失表皮Spectrin的动物中，表皮细胞膜上的L1CAM同源蛋白SAX-7内吞增加，形成胞内斑点，导致神经元-表皮连接失效。而通过基因突变或药物（Pitstop2）抑制内吞途径，可有效挽救轴突断裂表型。这些结果揭示了Spectrin骨架通过调控膜蛋白稳定性来维持细胞间连接的崭新机制。

关键技术方法

本研究主要采用四种核心技术：①基于split-GFP的细胞特异性蛋白标记技术，实现表皮Spectrin原位可视化；②CRISPR-Cas9介导的条件性基因敲除（FRT/FLP系统），实现组织特异性功能缺失研究；③三维结构光照显微镜（3D-SIM），解析纳米级细胞骨架周期结构；④auxin诱导降解系统，实现时空可控的蛋白功能干预。所有实验均以秀丽隐杆线虫为模型，涉及神经元特异性标记株系及组织特异性启动子工具。

研究结果

表皮Spectrin细胞骨架揭示相邻轴突的分子印迹

通过表皮特异性重组荧光蛋白策略，发现SPC-1/α-Spectrin和UNC-70/β-Spectrin在表皮膜上形成环绕轴突的连续结构，其分布模式与GABA能运动神经元和机械感应神经元的走向完全吻合。

神经系统诱导表皮Spectrin印迹在轴突延伸后形成

发育时序分析显示，表皮MPS在轴突延伸完成后逐渐组装，且轴突再生可重新诱导其形成。即使机械感应神经元嵌入表皮缺陷的mec-1突变体中，表皮MPS仍能正常形成，证明轴突诱导不依赖正常表皮包裹。

表皮Spectrin形成环绕轴突的周期性骨架并与轴突MPS对齐

3D-SIM成像证实表皮Spectrin以~200纳米周期排列，在机械感应神经元轴突周围形成杯状支撑结构。双色标记显示表皮MPS与轴突MPS在接触点相位对齐，提示跨细胞相互作用。

轴突与表皮MPS独立形成

组织特异性敲除实验表明，神经元或表皮中的Spectrin缺失仅影响自身MPS组装，不影响对方结构形成，证明两者组装机制相互独立。

表皮UNC-70/β-Spectrin非自主性维持感觉神经突完整性

表皮特异性（非神经元）敲除UNC-70/β-Spectrin引起轴突断裂，而神经元特异性敲除仅导致轴突变细，证实表皮MPS是轴突保护的主要贡献者。

表皮MPS与富含PIP₂和SAX-7/L1CAM的微结构域相关

表皮中磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP₂）和SAX-7/L1CAM共定位于MPS区域。缺失表皮Spectrin导致SAX-7形成胞内斑点，破坏树突分支模式，表明MPS通过稳定黏附分子维持细胞连接。

表皮MPS通过限制内吞作用维持轴突完整性

抑制AP-2衔接蛋白复合物（α-adaptin由apa-2编码）或使用内吞抑制剂Pitstop2，均可挽救表皮Spectrin缺失导致的轴突断裂及SAX-7错误定位，证明MPS通过限制内吞稳定膜蛋白。

结论与讨论

本研究发现了表皮组织中存在的周期性Spectrin骨架，其通过“分子印迹”机制记录神经系统拓扑结构，并通过抑制内吞稳定黏附分子，实现跨组织轴突保护。这一机制可能普遍存在于细胞间相互作用中，其失调可能导致人类Spectrin突变相关神经疾病（如脊髓小脑性共济失调）。研究不仅拓展了对细胞骨架功能的认识，更为理解组织间机械力传导提供了新视角。