PAK2是外周神经系统髓鞘形成所必需的

PAK2 is necessary for myelination in the peripheral nervous system

作者信息Bo Hu, Daniel Moiseev, Isabella Schena, Bulat Faezov, Roland Dunbrack, Jonathan Chernoff, Jun Li
PMID38079473
期刊Brain
发布时间2024-05-03
DOI10.1093/brain/awad413

实验完整度

包含细胞系实验、条件性基因敲除小鼠模型、体内慢病毒回补实验、形态学与电生理检测以及分子机制验证。

主要模型

施万细胞特异性Pak2敲除小鼠(scPak2−/−) 神经元特异性Pak2敲除小鼠(nPak2−/−) 原代施万细胞及Pak2−/−、Pak2-OE、Pak2-K278R细胞系 坐骨神经

重点核对

施万细胞特异性Pak2敲除(scPak2−/−) Nrg1(50 ng/ml)和PrPC肽(2 μM)刺激 PAK2 Thr402磷酸化 RAC1/CDC42活性 cAMP水平

摘要

髓鞘形成使电脉冲能够以最高速度在轴突上传播,编码重要的生命功能。Rho家族GTP酶RAC1和CDC42已被证明对施万细胞髓鞘形成至关重要。P21活化激酶2(PAK2)是RAC1/CDC42的效应因子,但其在髓鞘形成中的具体作用尚不清楚。我们生成了施万细胞特异性敲除Pak2的小鼠(scPak2−/−),以评估PAK2在髓鞘形成中的作用。在小鼠施万细胞中特异性删除Pak2导致严重的髓鞘形成不足、神经传导速度减慢以及scPak2−/−外周神经的行为功能障碍。scPak2−/−坐骨神经中的许多施万细胞停滞在轴突分选阶段。这些异常通过慢病毒在体内向scPak2−/−施万细胞递送重新引入Pak2得到挽救,但激酶失活的Pak2突变体不能挽救。此外,在施万细胞中消融Pak2阻断了由neuregulin-1、朊病毒蛋白和失活的RAC1/CDC42驱动的促髓鞘形成效应。相反,在神经元中消融Pak2没有表现出表型。不同的髓鞘脂质可以增强或抑制PAK2的活性。我们识别了一个新的促髓鞘形成因子PAK2,它作为多种促髓鞘形成信号通路的关键汇聚点。PAK2的促髓鞘形成作用是施万细胞自主的。髓鞘脂质被确定为PAK2的抑制剂或激活剂,可能被用于开发修复外周神经病变中异常髓鞘的疗法。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
PAK2是否以及如何在外周神经系统髓鞘形成中发挥作用?
核心机制
PAK2作为Nrg1和PrPC等促髓鞘形成信号通路的关键汇聚点,通过其激酶活性促进RAC1/CDC42活化和cAMP信号,从而促进施万细胞髓鞘形成;髓鞘脂质可调节PAK2活性。
主要证据
施万细胞特异性敲除Pak2导致严重髓鞘形成不足、轴突分选停滞和行为异常;慢病毒回补野生型PAK2可挽救表型,而激酶失活突变体不能;体外实验显示PAK2缺失阻断Nrg1/PrPC诱导的RAC1/CDC42活化和cAMP升高。
研究意义
PAK2是新的促髓鞘形成因子,是多种促髓鞘形成信号通路的汇聚点,其活性可被髓鞘脂质调节,可能为外周神经病变中异常髓鞘的修复提供潜在治疗靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

PAK2表达分析

检测PAK家族成员在外周神经中的表达水平及发育过程中的变化。

通过western blot检测P7和不同发育阶段(E18.5-P150)野生型小鼠坐骨神经中PAK1-PAK6的表达,并通过免疫荧光染色观察PAK2在坐骨神经和DRG中的定位。

2

施万细胞特异性敲除Pak2小鼠的表型分析

评估在施万细胞中特异性敲除Pak2对小鼠生存、行为、神经传导和髓鞘形态的影响。

将Pak2f/f小鼠与Mpz-cre小鼠杂交获得scPak2−/−小鼠,通过PCR和western blot确认敲除效率,并观察小鼠生长、行为(转棒、后肢紧握)、神经传导(CV、CMAP)以及坐骨神经的形态学和电镜分析。

3

体内慢病毒回补实验

验证PAK2激酶活性对髓鞘形成的必要性。

向P3 scPak2−/−小鼠坐骨神经内注射表达GFP-WT-PAK2或GFP-K278R-PAK2(激酶失活突变)的慢病毒,P30取材观察MBP表达和结间长度。

4

体外施万细胞信号通路验证

探究PAK2在Nrg1/PrPC介导的RAC1/CDC42活化和cAMP信号中的作用。

使用Pak2+/+和Pak2−/−施万细胞(包括Pak2-OE和Pak2-K278R细胞系),用Nrg1或PrPC肽刺激,检测GTP-RAC1/CDC42水平、PAK2磷酸化水平以及细胞内cAMP浓度。

5

神经元特异性敲除验证细胞自主性

验证PAK2的促髓鞘作用是否独立于神经元。

将Pak2f/f小鼠与Syn-cre小鼠杂交获得nPak2−/−小鼠,观察坐骨神经形态(轴突直径、密度、髓鞘厚度、g-ratio)和电生理指标。

6

髓鞘脂质对PAK2活性的调节

筛选不同髓鞘脂质对PAK2活性的影响。

用10种不同髓鞘脂质(100 μM)刺激Pak2+/+施万细胞30分钟,通过western blot检测PAK2 Thr402、Ser20、Ser141磷酸化水平(可溶性和不溶性组分)。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
PAK2抗体Cell Signaling Technology2608
PAK1抗体Cell Signaling Technology2602
MBP抗体MilliporeMAB386
神经丝200抗体MilliporeMAB5266
鞘磷脂Avanti Polar Lipids860062
L-α-磷脂酰肌醇Avanti Polar Lipids840042
神经节苷脂GM3Avanti Polar Lipids860058
胆固醇Avanti Polar Lipids700100
18:1胆固醇油酸酯Avanti Polar Lipids700269
L-α-磷脂酰丝氨酸Avanti Polar Lipids840032
C18:1半乳糖基(β)神经酰胺Avanti Polar Lipids860596
N-己酰基-D-鞘氨醇Sigma AldrichH6524
D-鞘氨醇Sigma AldrichS7049
Neuregulin-1R&D Systems377HB
朊病毒蛋白肽GenScript--
cAMP ELISA试剂盒Enzo Life SciencesADI-900-066
活性RAC1检测试剂盒Cell Signaling8815
活性CDC42检测试剂盒Cell Signaling8819
RIPA裂解液SigmaR0278
化学发光试剂Perkin ElmerNEL103001
BCA蛋白定量试剂盒Thermo ScientificProd.
GFP-WT-PAK2慢病毒Applied Biological Materials--
GFP-K278R-PAK2慢病毒Applied Biological Materials--
Mpz-cre小鼠Jackson Laboratory017927
Syn-cre小鼠Jackson Laboratory003966
Zeiss Gemini 300扫描电子显微镜Zeiss--
Leica THUNDER显微镜Leica--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型制备
小鼠背景(C57BL/6J),Mpz-cre和Syn-cre品系,Pak2 floxed等位基因,繁殖和基因分型方法
阅读提示:Materials and methods: Mice
施万细胞培养与处理
细胞来源(3日龄小鼠坐骨神经),SV40-T永生化,Nrg1(50 ng/ml)和PrPC肽(2 μM)处理时间(30分钟),cAMP检测方法
阅读提示:Materials and methods: Cell culture and cAMP measurement; Nrg1 and PrPC stimulation and GTPase pull-down assay
蛋白免疫印迹
抗体货号:PAK2 (2608),Phospho-PAK2 (Thr402) (2601)等,RIPA裂解液,BCA定量
阅读提示:Materials and methods: Immunoblotting; Antibodies and materials
形态学分析
半薄切片染色,U-net分割模型,电子显微镜参数
阅读提示:Materials and methods: Morphometric analysis and electron microscopy
脂质刺激
脂质种类(10种),浓度(100 μM),处理时间(30分钟),可溶性和不溶性组分分离方法
阅读提示:Figure 8 legend