编辑推荐：
本期《Nature Neuroscience》为您带来一项关于多发性硬化（MS）神经退行性变机制的重要研究。为解决MS治疗中“复发控制”与“神经保护”脱节、炎症介导的神经元死亡通路不明的难题，研究人员聚焦于一种由DNA损伤触发的、Caspase（半胱天冬酶）非依赖性的程序性细胞死亡通路——parthanatos。在实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）小鼠模型中，他们揭示神经炎症可触发神经元DNA损伤，并激活完整的parthanatos级联通路，最终由巨噬细胞迁移抑制因子（MIF）的核酸酶活性导致基因组DNA片段化和神经元死亡。关键的是，无论是遗传学（MIF-E22Q点突变）还是药理学（小分子抑制剂PAANIB-1）阻断MIF的核酸酶活性，均能在不影响外周免疫细胞浸润和胶质细胞反应的情况下，显著减少神经元丢失、减轻疾病慢性期功能障碍。这项研究首次在自身免疫性神经炎症中确立了parthanatos的关键角色，为开发直接靶向神经元死亡通路、实现“神经保护”的MS新疗法提供了潜在靶点。
在年轻的成年人中，多发性硬化（Multiple Sclerosis, MS）是导致进行性神经功能障碍的主要原因之一。这是一种慢性神经炎症性疾病，其特征包括炎症、脱髓鞘和最终的神经元损伤。尽管医学界在控制MS复发方面取得了显著进展——现有疗法主要通过靶向外周免疫系统来减少复发，但它们对进行性MS阶段的神经退行性变影响甚微。这背后一个关键的原因，是我们对免疫介导的神经元死亡所涉及的分子通路理解尚不完全。神经炎症如何最终“杀死”神经元？这个问题的答案，是开发能够真正保护神经元、阻止残疾进展的新疗法的核心。
为了回答这个紧迫的问题，并发表在《Nature Neuroscience》上的一项研究，将目光投向了一种相对“年轻”的细胞死亡程序——parthanatos。这是一种不依赖于Caspase、由DNA损伤触发的程序性细胞死亡。在parthanatos通路中，细胞核内的酶PARP1（聚ADP核糖聚合酶1）感知到DNA损伤后会被过度激活，产生大量的PAR（聚ADP核糖）聚合物。过量的PAR会从细胞核“逃逸”到细胞质，进而触发线粒体释放AIF（凋亡诱导因子）。细胞质中的AIF会与另一种多功能蛋白MIF（巨噬细胞迁移抑制因子）结合，形成AIF-MIF复合物，并一同转运回细胞核。一旦进入细胞核，MIF便会凭借其内在的核酸酶活性，将基因组DNA切割成碎片，最终导致细胞死亡。此前，parthanatos已被发现在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中扮演角色，但它在自身免疫性神经炎症中的作用从未被研究过。
研究人员利用MS的经典动物模型——实验性自身免疫性脑脊髓炎（Experimental Autoimmune Encephalomyelitis, EAE）小鼠，开展了一系列深入的研究。他们首先想知道，在神经炎症过程中，神经元是否真的会积累DNA损伤并最终死亡。通过对EAE小鼠腰椎脊髓和视网膜（这两个在EAE中会发生炎症诱导性神经元丢失的区域）的系统性分析，他们发现，在疾病高峰期（第15天），脊髓腹角神经元中DNA双链断裂的标志物γH2AX+细胞比例从对照组的约10%飙升至80-90%。与此同时，氧化应激的标志物8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）也在神经元中显著增加。更关键的是，随着疾病从急性期进入慢性期（第45天），脊髓腹角神经元的数量出现了进行性下降。在视网膜神经节细胞中也观察到了类似的DNA损伤增加和细胞丢失。这些发现确证了神经炎症会导致神经元DNA损伤和死亡。
那么，这些DNA损伤是否会启动parthanatos通路呢？研究人员紧接着检测了parthanatos的关键标志物。他们发现，在EAE高峰期，脊髓组织中的非切割基因组DNA减少，而PAR的蛋白水平从发病第10天开始积累，并在第15天达到峰值。高分辨率共聚焦显微镜成像进一步显示，与对照组相比，EAE高峰期神经元细胞质中的PAR显著增加，并且有更多的MIF蛋白进入了神经元细胞核。此外，一种称为邻近连接 assay（Proximity Ligation Assay, PLA）的技术直接检测到神经元内AIF与MIF的结合在EAE期增强。这些证据链清晰地表明，在自身免疫性神经炎症中，parthanatos通路的关键步骤——从DNA损伤、PAR过度产生和错误定位，到AIF-MIF复合物形成及核转位——确实在神经元中被激活了。
如果parthanatos是导致神经元死亡的原因，那么阻断它是否就能保护神经元、改善疾病呢？为了验证这一点，研究团队运用了两种策略来特异性抑制parthanatos的最终执行步骤——MIF的核酸酶活性。第一种是遗传学策略，他们使用了一种携带MIF-E22Q点突变基因的敲入小鼠。这种突变能特异性破坏MIF的核酸酶功能，而不影响其细胞因子或其他酶学活性。在EAE模型中，与野生型小鼠相比，MIF-E22Q突变鼠在疾病慢性期表现出更轻的神经功能障碍。更重要的是，在疾病高峰期和慢性期，突变鼠脊髓腹角神经元和视网膜神经节细胞的丢失都显著少于野生型鼠。第二种是药理学策略，他们使用了一种新开发的小分子化合物PAANIB-1，它能特异性抑制MIF的核酸酶活性。在EAE发病前（预防模式）或发病时（治疗模式）开始每日给予PAANIB-1，同样观察到了慢性的神经保护效应，脊髓和视网膜的神经元存活率更高。
一个至关重要的排除性验证是：这种保护作用是否仅仅是因为改变了免疫反应本身？通过流式细胞术等一系列分析，研究人员证实，MIF-E22Q突变或PAANIB-1处理，并没有影响EAE高峰期脊髓中髓系细胞（如巨噬细胞、粒细胞）或T细胞（包括CD4+、CD8+T细胞和调节性T细胞）的浸润数量，也没有改变辅助性T细胞的活化状态（IFNγ或IL-17的产生）。同时，小胶质细胞和星形胶质细胞的反应性增生以及髓鞘的脱失程度在基因突变或药物治疗组与对照组之间也无差异。这些数据强有力地表明，阻断MIF核酸酶所带来的神经保护是一个相对独立于外周免疫细胞浸润和中枢神经胶质反应的过程，其作用点更直接地在于神经元自身的死亡通路上。
为了在分子层面深入理解MIF核酸酶活性的影响，研究人员对EAE高峰期小鼠的腰椎脊髓进行了单核转录组测序（snRNA-seq）。分析聚焦于神经元群体，揭示了一幅有趣的图景。首先，与对照组相比，EAE期的神经元整体转录组发生了剧烈变化，出现了大量差异表达基因。通路富集分析显示，EAE神经元中与“II型干扰素（IFNγ）信号”和“氧化损伤反应”相关的基因集显著上调。这表明处于炎症环境中的神经元自身也呈现出高度的免疫激活和应激状态。引人注目的是，当比较MIF-E22Q EAE神经元与野生型EAE神经元时，前者中与炎症（特别是IFNγ相关）相关的通路表达甚至更高。与此同时，在野生型EAE神经元中，许多与神经元基本功能相关的基因集被下调，例如“神经肽信号通路”、“突触后膜电位调节”以及“谷氨酸受体信号”和“GABA信号”通路。而这些在MIF-E22Q EAE神经元中得到了更好的保留。这些转录组数据暗示，被parthanatos阻断救下来的神经元，可能维持了更好的功能状态和内在的恢复潜能。
主要技术方法
本研究综合运用了多种技术。在体研究主要使用MOG35-55肽段诱导的EAE小鼠模型。组织学分析包括对腰椎脊髓和视网膜进行系统的免疫荧光染色、共聚焦显微镜成像和定量。分子生物学检测涉及蛋白质印迹（Western Blot）分析PAR、γH2AX等蛋白表达，脉冲场凝胶电泳评估基因组DNA片段化，以及邻近连接 assay（PLA）检测蛋白-蛋白相互作用。细胞死亡机制研究利用了携带MIF-E22Q点突变的基因敲入小鼠，以及能够特异性抑制MIF核酸酶活性的人工合成小分子抑制剂PAANIB-1进行遗传和药理学干预。转录组学方面，对小鼠脊髓组织进行了单核RNA测序（snRNA-seq），并通过生物信息学方法进行差异表达基因和通路富集分析。此外，还使用了流式细胞术对外周和中枢免疫细胞亚群进行表征。部分分析还参考了已发表的人MS患者脑组织单核测序数据集。
研究结果
神经元的DNA损伤和丢失
在EAE病程中，腰椎脊髓腹角神经元和视网膜神经节细胞（RGC）内的DNA双链断裂标志物（γH2AX, 53BP1）和氧化损伤标志物（8-OHdG）显著增加。与此同时，脊髓腹角神经元的数量随着疾病从高峰期进入慢性期而进行性减少，证实了炎症导致的神经元损伤和死亡。
Parthanatos标志物在EAE和MS中上调
EAE脊髓组织中非切割的基因组DNA减少，而PAR蛋白在发病后第10-15天显著积累并达到峰值。高分辨率成像显示神经元胞质PAR和核内MIF在EAE高峰期增加。PLA实验证实神经元内AIF-MIF结合增强。在体外，过氧化氢诱导的氧化应激能快速引起神经元PAR和γH2AX增加。在有限的人类MS患者脑皮质样本中，也观察到了神经元PAR染色的增加。
抑制MIF核酸酶活性具有神经保护作用
遗传学上，MIF-E22Q点突变（破坏核酸酶活性）的EAE小鼠，在慢性期神经功能障碍更轻，其脊髓和视网膜的神经元丢失显著少于野生型EAE小鼠。药理学上，使用MIF核酸酶抑制剂PAANIB-1（无论是在发病前预防还是发病后治疗）处理，也能在慢性期观察到神经元保护效应。这些保护作用并非源于免疫或胶质细胞反应的改变，因为流式细胞术和组化分析显示，MIF-E22Q突变或PAANIB-1处理不影响EAE高峰期脊髓中的免疫细胞浸润、胶质细胞增生或髓鞘脱失程度。
神经元转录组的炎症和功能变化
单核转录组分析发现，EAE期神经元中与II型干扰素信号和氧化应激反应相关的通路显著上调。与野生型EAE神经元相比，MIF-E22Q EAE神经元中部分炎症通路（如IFNγ相关通路）的表达更高。相反，在野生型EAE神经元中，与神经肽信号、神经递质信号（谷氨酸/GABA）和突触功能相关的基因集被下调，而这些功能相关基因在MIF-E22Q神经元中得到了更好的保留。对已发表人MS数据的重新分析也发现，进展型MS的皮层神经元中，与离子转运、膜电位维持等基本神经元功能相关的基因集下调。
研究结论与意义
这项研究首次在自身免疫性神经炎症模型中确立了parthanatos是神经元死亡的一种关键机制。它揭示了从神经炎症、氧化应激、DNA损伤到parthanatos通路激活，最终导致神经元死亡的完整链条。研究的关键发现在于，特异性阻断该通路的最终执行者——MIF的核酸酶活性，无论是通过遗传学手段还是小分子药物，都能在不干扰整体免疫反应的情况下，实现显著的神经保护，并改善疾病的长期功能结局。
其重要意义是多方面的：首先，在基础研究层面，它加深了对MS及相关疾病中神经元丢失机制的理解，将parthanatos这一新兴的细胞死亡方式与自身免疫性中枢神经系统疾病联系起来。其次，在转化医学层面，研究明确了MIF的核酸酶功能是一个潜在的、可成药的神经保护靶点。针对此靶点开发的疗法，有望与现有的免疫调节疗法形成互补，真正实现“抗炎”与“保神经”的双重治疗目标，以遏制MS的残疾进展。最后，该研究提示神经元在炎症环境中并非完全被动，它们会上调MHC II类分子等免疫相关基因，这为理解神经免疫互作提供了新视角。总之，这项研究为开发针对多发性硬化等神经炎症性疾病的新型神经保护策略开辟了新的道路。
