《Molecular and Cellular Neuroscience》：Modeling the functional impact of CPEB3 and CPEB4 dysregulation in autism: A theoretical–computational framework
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自闭症谱系障碍（ASD）中CPEB3/CPEB4的分子脆弱性通过整合转录组数据和分子动力学模拟预测。研究发现前额叶皮层和丘脑为高脆弱区域，CPEB3失调与神经元功能异常更相关，且二者形成不同聚集模式影响神经调控。提出量化分析框架为实验提供新方向。
列宁·冈萨雷斯-帕斯（Lenin González-Paz）|亚历杭德罗·维瓦斯（Alejandro Vivas）|阿琳·卡多索-乌尔达内塔（Arlene Cardozo-Urdaneta）|卡拉·洛萨达（Carla Lossada）|阿尼瓦尔·门德斯（Anibal Mendez）|阿里亚娜·德尔加多（Ariana Delgado）|约瓦尼·马雷罗-庞塞（Yovani Marrero-Ponce）|费利克斯·马丁内斯-里奥斯（Felix Martinez-Rios）|尤尼尔基斯·佩雷斯-卡斯蒂略（Yunierkis Pérez-Castillo）|伊萨亚斯·J·阿尔瓦拉多（Ysaías J. Alvarado）
委内瑞拉科学研究所分子生物医学中心，马拉开波，委内瑞拉
摘要
自闭症谱系障碍（ASD）涉及突触可塑性的损伤，这与局部mRNA翻译密切相关。胞质多聚腺苷化元件结合蛋白3和4（CPEB3和CPEB4）是神经元mRNA翻译的转录后调节因子，可能对ASD相关的分子变化有所贡献。在这项理论-计算研究中，我们开发了一个加权功能影响模型，将转录组表达与CPEB3和CPEB4的固有分子限制相结合，以估计ASD中的区域性和细胞类型特异性脆弱性。通过粗粒度分子动力学（MD）模拟定量分析了聚集、扩散和簇稳定性在细胞类型特异性的胞质条件下的表现，并明确评估了统计不确定性。前扣带回皮层和丘脑被确定为主要的脆弱部位。尽管CPEB4在胶质细胞中的表达较高，但我们的加权功能影响模型预测，与CPEB3功能障碍相关的理论易感性更大，尤其是在抑制性和兴奋性神经元中。MD模拟显示，CPEB3形成短暂的、允许扩散的聚集体，而CPEB4则倾向于组装成更稳定的凝聚物。这些互补的行为表明神经元和胶质功能的调节存在差异但相互依赖。重要的是，所提出的框架提供了关于蛋白质-蛋白质相互作用、微外显子丢失和胞质拥挤如何影响ASD中翻译控制的实验可验证的预测。这种综合方法为研究转录后调节因子如何导致ASD相关分子脆弱性提供了定量和生物学上有根据的框架。
引言
自闭症谱系障碍（ASD）涉及突触可塑性的改变，这一过程与局部mRNA翻译密切相关。胞质多聚腺苷化元件结合蛋白3和4（分别为CPEB3和CPEB4）调节神经元蛋白质的合成，因此对于理解ASD的分子基础至关重要。作为CPEB家族的成员——具有类似朊病毒的、内在无序结构的RNA结合蛋白——它们调节对学习和记忆至关重要的神经元mRNA的翻译（Ollà等人，2023年；Shin等人，2016年；Qu等人，2020a年，2020b年；Chen等人，2024年）。
CPEB4的失调已被直接与自闭症相关联（Garcia-Cabau等人，2025年；Amaral等人，2008年），而CPEB3主要通过局部突触翻译促进记忆巩固（Kozlov等人，2021年）。转录组数据显示CPEB3和CPEB4有显著改变，但其他家族成员没有（Parras等人，2018年）。尽管对CPEB4在学习中的作用了解较少，但有证据表明它调节神经元基因表达和发育，其聚集体可能损害ASD中的连接性（Kretz等人，2023年；Beopoulos等人，2022年）。这两种蛋白质具有保守的基序和微外显子调控结构，在基础条件下促进聚集（Ollà等人，2023年；Kaczmarczyk等人，2016年；Stephan等人，2015年）。
虽然CPEB的功能障碍与多种神经系统疾病有关（Kozlov等人，2021年），但CPEB3与自闭症之间的直接联系仍然有限。ASD中翻译中断的分子基础——特别是涉及CPEB3/4等RNA结合蛋白的情况——仍知之甚少。诸如微外显子丢失、凝聚体形成和构象限制等因素表明存在复杂的、细胞类型特异性的机制（Parras等人，2018年；Garcia-Cabau等人，2025年）。在这方面，CPEB3和CPEB4提供了一个生物学上可控的比较：它们具有同源的结构域和调节机制，但表达模式和细胞定位不同。这种组合有助于区分表达驱动的效果和内在的分子行为，使它们成为所提出框架的理想测试案例。
关于CPEB3和CPEB4在自闭症相关脑区的定位和结构状态的信息可能有助于阐明它们的失调如何影响神经元功能（Qu等人，2020a年，2020b年）。CPEB3和CPEB4之间的直接比较并不是为了暗示功能冗余；相反，它利用了它们共有的结构特征和不同的表达模式作为一个受控的测试案例。这种配对蛋白质框架能够区分表达驱动的效果和内在的生物物理及调节特性，为研究ASD中的细胞类型特异性脆弱性提供了基于原理的策略。为此，我们提出了一个综合的生物物理-计算框架，结合了：（1）基础条件下的功能限制（例如，聚集或SUMO化；Drisaldi等人，2015年；Gu等人，2022年）；（2）由微外显子丢失引起的脆弱性；（3）分子内和分子间的亲和力；以及（4）区域和细胞类型特异性表达。利用这一框架，我们旨在预测CPEB3和CPEB4在神经解剖区域中的功能障碍，并识别ASD中脆弱性增加的部位。
具体来说，我们引入了两项互补的方法学进展。首先，我们开发了一个加权功能影响模型，将转录组表达与内在分子限制相结合，以估计转录后调节因子的区域性和细胞脆弱性。其次，我们采用了一种粗粒度分子动力学方法，捕捉蛋白质组成和胞质拥挤如何共同影响聚集和扩散行为。这些方法共同提供了对ASD相关背景下CPEB3和CPEB4功能障碍的统一和预测性描述。
研究部分摘录
选择ASD相关脑区
为了确定CPEB4和CPEB3的基因表达研究脑区，我们关注了基于尸检和结构性磁共振成像研究显示在ASD中有神经解剖学改变且与其核心临床缺陷直接相关的区域（Amaral等人，2008年）。考虑到网络复杂性，我们选择了与超过50%的与自闭症相关的神经回路相关的区域（表1）：OFC——眶额皮质（orbitofrontal cortex），CC——扣带回皮质（cingulate cortex），FG——梭状回（fusiform gyrus），STS——上...
确定目标脑区中的CPEB4和CPEB3表达水平
在脑水平上，CPEB4在扣带回皮质（CC）和丘脑中的表达量均高于CPEB3，平均差异nTPM >75（见图1，表S1）。在CC中，所有亚区域的CPEB4平均nTPM值为108.3±2.9，CPEB3为32.9±1.3，最小和最大值分别约为104和112（中间和后部CC），亚区域间的差异≤7 nTPM。在丘脑中，CPEB4的平均nTPM值为113.7±6.8，CPEB3为26.3±2.8
讨论
鉴于直接将CPEB3和CPEB4的动态与ASD联系起来的实验数据有限，本研究采用了一种理论-计算方法，整合了转录组、生物物理和分子建模数据。该框架能够推断出与ASD相关的脑区和细胞类型中的潜在分子脆弱性，强调了蛋白质特定的结构和调节特性如何影响区域依赖的功能风险。
前扣带回的选择...
结论
在这项理论-计算研究的条件下，扣带回皮质（CC）和丘脑（Th）被认为是自闭症谱系障碍（ASD）的关键区域，因为它们在额纹状体、边缘系统和皮层下网络中反复出现，这些网络与感觉、情绪和认知改变有关。因此，这些区域构成了研究导致ASD病理生理学的分子机制的中心节点。
本研究引入了两种互补的方法学...
术语表
| 符号/缩写 | 定义 |
|---|
| ACC | 前扣带回皮质 |
| ASD | 自闭症谱系障碍 |
| BG | 基底节 |
| CC | 扣带回皮质 |
| CPEB | 胞质多聚腺苷化元件结合蛋白 |
| CPEB3 | 胞质多聚腺苷化元件结合蛋白3 |
| CPEB4 | 胞质多聚腺苷化元件结合蛋白4 |
| Δ | 微外显子缺失变异 |
| FG | 梭状回 |
| HDOCK | 蛋白质-蛋白质对接服务器 |
| HPA | 人类蛋白质图谱 |
| IFG | 下额回 |
| MCC | 中间扣带回皮质 |
| MD | 分子动力学 |
| nTPM | 标准化转录本 |
CRediT作者贡献声明
列宁·冈萨雷斯-帕斯（Lenin González-Paz）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督，方法学，研究，形式分析，概念化。亚历杭德罗·维瓦斯（Alejandro Vivas）：研究。阿琳·卡多索-乌尔达内塔（Arlene Cardozo-Urdaneta）：研究。卡拉·洛萨达（Carla Lossada）：研究。阿尼瓦尔·门德斯（Anibal Mendez）：研究。阿里亚娜·德尔加多（Ariana Delgado）：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。约瓦尼·马雷罗-庞塞（Yovani Marrero-Ponce）：监督，研究。费利克斯·马丁内斯-里奥斯（Felix Martinez-Rios）：监督，研究。尤尼尔基斯·佩雷斯-卡斯蒂略（Yunierkis Pérez-Castillo）：监督，
资助
本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。
