PNAS | 向孟清教授团队揭示Foxn3在视网膜细胞纤毛发生的关键调控作用

原创科技创新赋能健康 raybet官网登录入口订阅号

视网膜是一种高度特化的感觉神经组织，由多种细胞类型组成，每种细胞在视觉功能中都具有独特作用。其中，视杆细胞和视锥细胞作为光感受器，其显著特征在于拥有大型特化的感觉纤毛，这些结构对光信号转导至关重要；而非感光神经元通常仅具备结构简单的初级纤毛。而纤毛相关基因的突变可引发多种视网膜疾病，如视网膜色素变性、感光细胞营养不良、先天性黑蒙症以及Bardet-Biedl综合征等。但目前大多数研究主要集中在感光细胞的纤毛发生调控的方向，对非感光细胞纤毛发生调控的研究相对较少。

7月15日，raybet官网登录入口向孟清教授团队在美国科学院院刊PNAS上发表研究论文“Foxn3 is required to suppress aberrant ciliogenesis in non-photoreceptor retinal neurons”。该研究揭示了Foxn3是视网膜纤毛发生关键的抑制转录因子，视网膜特异性敲除Foxn3会导致非感光细胞中纤毛基因的异位表达及纤毛发生异常，进而引发视觉功能障碍，为视网膜纤毛病的治疗提供了潜在干预新靶点。

研究结果

在这项研究工作中，研究团队首先构建了Foxn3视网膜特异性敲除鼠Foxn3CKO，系统分析了Foxn3CKO小鼠发育不同阶段中视网膜结构、视神经和视觉功能变化，结果显示Foxn3CKO视网膜结构和视神经都没有发生变化，视网膜电图（ERG）视功能检测发现只有在暗适应下的b波和振荡电位（OPs）有明显变化，但暗适应下的a波和明适应下的检测都没有显著差异（图1）。进一步探究Foxn3CKO视网膜细胞命运的特化和分化，发现它们也没有变化（结果未展示），暗示Foxn3不参与小鼠视网膜细胞命运的决定作用，而是参与其它视网膜光传导结构的调控。

图1：Foxn3视网膜条件性敲除小鼠暗视视网膜电图的反应减弱

为解析Foxn3在视网膜中的功能，研究团队对Foxn3CKO和对照小鼠视网膜进行了scRNA-seq分析。结果显示：Foxn3CKO视网膜中非感光神经元异常激活了大量纤毛相关基因。研究发现，这些本应在感光细胞中表达的纤毛基因，却在双极细胞和无长突细胞中显著上调，就像给信号传导神经元错误装配了感光细胞特有的“信号接收器”（图2）。这种“纤毛基因错位”可能导致视觉信号传导异常。

图2：分析对照与Foxn3CKO小鼠视网膜的单细胞转录组特征变化

进一步实验显示：Foxn3敲除导致视网膜双极细胞和无长突细胞中Armc2、Dnah5等纤毛基因表达显著上调2-100倍。除此之外，Foxn3CKO视网膜内层核层（INL）出现大量异位纤毛，其中双极细胞的纤毛数量增加77倍，无长突细胞纤毛数量翻倍。这些异常纤毛与细胞标志物共定位（图3），证实Foxn3缺失不仅引起纤毛基因异常表达，更导致非感光神经元发生病理性纤毛形成。

图3：Foxn3CKO视网膜中纤毛基因表达上调和内核层纤毛数量异常增加

为了揭示Foxn3调控视网膜纤毛发生的基因调控网络，研究团队应用ChIP、CUT&Tag和荧光素酶实验等手段证实（结果未展示）：Foxn3通过作为纤毛基因的转录抑制因子，维持视网膜细胞纤毛分化的二元格局。Rfx家族转录激活因子（特别是Rfx3和Rfx7）促进感光细胞感觉纤毛的形成，而Foxn3在出生后及成年视网膜中特异表达于非感光神经元，通过双重机制抑制纤毛发生：既直接抑制纤毛基因表达，又通过抑制Rfx基因和Foxj1间接阻断纤毛形成通路。Foxn3与Rfx转录因子可能还通过自身表达的自调控网络，精确平衡纤毛基因表达水平，确保感光细胞形成复杂的感觉纤毛，同时阻止非感光神经元产生异常纤毛结构（图4）。