紐約大學(xué)Langone醫(yī)學(xué)中心的科學(xué)家揭示了呼吸神經(jīng)元回路建立所需的兩個關(guān)鍵基因。他們的這項(xiàng)研究作為封面文章，發(fā)表在Nature旗下Nature Neuroscience雜志十二月刊上。這一發(fā)現(xiàn)將有助于治療脊髓損傷和肌萎縮側(cè)索硬化癥ALS等神經(jīng)退行性疾病。肌萎縮側(cè)索硬化癥ALS會逐漸殺死控制著呼吸、移動和進(jìn)食等肌肉運(yùn)動的神經(jīng)元。

研究人員發(fā)現(xiàn)的兩個關(guān)鍵基因是一類特殊神經(jīng)細(xì)胞的分子代碼，這類神經(jīng)細(xì)胞被統(tǒng)稱為PMC（phrenic motor column）。如果脊柱中PMC區(qū)域受傷，就會立刻導(dǎo)致呼吸停止。領(lǐng)導(dǎo)該研究的生理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)助理教授Jeremy Dasen說，PMC神經(jīng)細(xì)胞 “這可能是我們體內(nèi)最重要的運(yùn)動神經(jīng)元”。不過迄今為止人們并不了解PMC神經(jīng)元與其他神經(jīng)元的區(qū)別，對PMC神經(jīng)元的發(fā)育機(jī)制也所致甚少。

PMC細(xì)胞將恒流電化學(xué)信號從軸突傳到隔肌，控制肺部以呼吸的自然節(jié)律進(jìn)行擴(kuò)張和松弛?！艾F(xiàn)在我們知道PMC細(xì)胞與其他運(yùn)動神經(jīng)元的區(qū)別，就可以進(jìn)行深入研究，尋找能夠選擇性增強(qiáng)PMC細(xì)胞活性的途徑，” Dr. Dasen說。

在這項(xiàng)為期三年的研究中，研究人員為了區(qū)別PMC神經(jīng)元向隔神經(jīng)注射了反向示蹤的熒光物質(zhì)，隨后觀察脊髓中發(fā)熒光的神經(jīng)元。他們構(gòu)建了特殊的轉(zhuǎn)基因小鼠，在小鼠運(yùn)動神經(jīng)元及其軸突中表達(dá)綠色熒光蛋白GFP，以此觀察隔神經(jīng)。經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)，研究人員不僅標(biāo)注了PMC神經(jīng)元的特征性基因表達(dá)模式，還解析了基因的功能。研究顯示，Hoxa5和Hoxc5這兩個基因是控制PMC正確發(fā)育的主要因素。Hox基因本就是動物發(fā)育過程中著名的調(diào)控因子。

研究人員在小鼠胚胎的運(yùn)動神經(jīng)元中沉默了Hoxa5和Hoxc5，發(fā)現(xiàn)PMC不能形成正常組織形式，也不能與隔肌正確連接，導(dǎo)致新生動物無法呼吸?！霸谔喊l(fā)育后期刪除這些基因，PMC神經(jīng)元的數(shù)量也會下降，隔肌上無法形成足夠的隔神經(jīng)，” Dr. Dasen說。

Dr. Dasen計劃在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對更廣泛的呼吸回路進(jìn)行研究，包括腦干中負(fù)責(zé)生成節(jié)律的神經(jīng)元，這些神經(jīng)元會對二氧化碳水平、壓力等其他環(huán)境因子進(jìn)行應(yīng)答。“了解了PMC細(xì)胞之后，我們就可以順藤摸瓜去解析更廣泛的呼吸回路，嘗試?yán)砬逅泻粑嚓P(guān)的網(wǎng)絡(luò)，”他說。研究人員指出，了解呼吸網(wǎng)絡(luò)的作用機(jī)制，將有助于治療呼吸相關(guān)疾病。