Fas又稱CD95，是由325個胺基酸殘基組成的受體分子，廣泛表達於包括淋巴細胞在內的多種細胞表面，分子胞內段帶有特殊的死亡結構域，與配體結合啟動致死性信號轉導，最終引起細胞死亡。Fas活化在多種神經障礙中存在，並能夠同時導致細胞凋亡和促進存活。
然而我們對Fas信號如何在海馬區動態運轉知之甚少。信號網絡的光遺傳學解剖可以為細胞的應答或命運，包括眾多疾病中出現的信號傳遞障礙，給出分子水平解釋。Won Do Heo團隊在Science Advances上發表文章Dynamic Fas signaling network regulates neuralstem cell proliferation and memory enhancement，開發了一種光遺傳學可激活的Fas, 該Fas以合理的生理學方式起作用。哺乳動物齒狀回未成熟神經元中的Fas活化引發哺乳動物帕雷黴素靶點mTOR激活及隨後的腦源性神經營養因子分泌。持久的Fas活化誘導神經幹細胞外的信號調節酶Erk磷酸化。這種信號網絡的重複激活導致小鼠神經幹細胞增殖並短暫增加空間工作記憶。該研究證實了一種齒狀回新型Fas信號網絡，並闡明了該信號網絡對成年神經發生和記憶增強的影響。
Won Do Heo是韓國科學技術院生物科學與工程學教授，其團隊主要利用生物成像，光遺傳學和化學遺傳學等技術，研究多種細胞及動物的生物現象和細胞功能，涵蓋細胞生長，遷移，死亡，癌細胞代謝及大腦功能等。光遺傳學技術是疾病相關病理機制研究的重要工具，應用極廣。
1，建立光遺傳學激活性Fas受體
光遺傳學是一項整合了光學、軟體控制、基因操作技術、電生理等多學科交叉的技術。2005年，史丹福大學Karl Deisseroth實驗室通過在神經細胞中表達光敏蛋白，響應不同波長的光刺激實現對神經功能的調控，從而使生物體內發生的變化可視化，宣布人類正式擁有了精準操控大腦的工具。長久以來，我們對複雜的神經網絡連接的理解僅停留在相關性上，有了光遺傳學，我們終於有能力微創、精準地探究特定的神經環路和大腦功能之間的關係，這無疑是跨越式的進步。
該研究開發了一種光遺傳學技術可激活的生理學可信性Fas模塊（optoFAS）（圖1），該模塊包含膜結合序列（Lyn），Fas的細胞質域（cyFAS），隱花色素2的PHR域（CRY2PHR，波長488nm）和增強的綠色螢光蛋白（EGFP）組成。該模型能夠同時誘導特定類型細胞的凋亡和非凋亡信號轉導，並引起相關下遊蛋白酶的激活。
圖1. 光遺傳學可激活的Fas受體的開發和驗證
2，光遺傳學激活揭示齒狀回中動態Fas信號網絡
為了探索認知和記憶環境下大腦中Fas信號動態變化，腺相關病毒被注入8周齡小鼠的海馬齒狀回（DG）中，3周後在DG未成熟神經元中表達。通過光刺激Fas轉導區域可誘導下遊信號成分不同的激活模式（圖2）。其中AKT-mTOR通路成分pS6細胞光照0.5小時即被最大化激活，而缺乏optoFAS海馬齒狀回顆粒下層（SGZ）的pErk細胞在照射4個小時後才被最大化激活。在optoFAS轉導的小鼠腹膜內注射mTOR通路阻抗劑雷帕黴素能夠抑制顆粒細胞層（GCL）pS6細胞和SGZ pErk細胞活化。表明Fas介導的未成熟神經元中mTOR通路的激活與神經幹細胞中pErk水平的後續升高相關。
圖2. DG區光遺傳學可激活的Fas動態信號網絡
3，Fas信號網絡的動態活化在神經系統疾病中的作用
該研究將不同組別按照Aβ狀態又分別分成了不同亞組。模擬準確率在Aβ陰性（Aβ-）個體中依然很高。分別單獨分析MCI Aβ-個體和CN Aβ-個體（腦脊液 Aβ沒有升高且不攜帶APOE4等位基因）時，這種準確率依然存在，提示在認知正常個體中少量的tau播散是存在的。
4，區域Aβ負荷影響區域的模型表現
Fas激活後，未成熟神經元細胞分泌腦源性神經營養因子（BDNF），胰島樣生長因子1（IGF-1）強勁增加，而白細胞介素-6（IL-6）表達降低。給予mTOR抑制劑雷帕黴素能夠pS6水平及BDNF mRNA的表達，將BDNF/原肌球蛋白受體酶B（TrkB）抑制劑應用到optoFAS小鼠中，光刺激後，SGZ中pErk+細胞數量顯著減少，支持來自未成熟神經元的BDNF誘導神經幹細胞中pErk激活的假說。而使用雷帕黴素阻斷mTOR途徑則顯著降低了光刺激後BrdU +細胞的數量，證實了這種成年神經發生是由本文揭示的新型Fas信號網絡誘導。
為了證實該Fas信號網絡是否會影響與海馬依賴性記憶有關的行為，研究對optoFAS/GFP轉導的小鼠進行Y迷宮測試，並檢測光刺激後自發行為的改變。重複5輪刺激顯著增加自發行為的百分比（圖3），在刺激後的7、14、28天並未觀察到這種升高，說明該現象是短暫性的
圖3. 重複激活Fas信號網絡可短暫提高空間記憶
5，總結及展望
本研究首次利用光遺傳學解剖演示DG信號的瞬時動態變化，發現了DG有關未成熟神經元和神經幹細胞之間通訊的新型Fas信號網絡，即未成熟神經元中Fas的短暫激活僅僅活化mTOR通路，而持久激活既可介導未成熟神經元中mTOR通路，又可通過BDNF的分泌介導缺乏Fas表達的神經幹細胞中ERK通路。光遺傳學研究可以實現Fas信號通路時間及空間調節性，從而識別該信號網絡是如何引起成熟的神經再生。
增殖的神經幹細胞在完全成熟並整合進DG存在的神經網絡後有助於記憶的方式尚待研究，相反，該研究提出，Fas信號網絡是通過BDNF識別空間工作記憶的瞬時增加是網絡的行為結果。總之，本研究對利用光遺傳學來發現體內信號傳導網絡的複雜作用具有重要意義，該網絡對於理解神經系統疾病的病理生理學至關重要。
參考文獻：
Kim S, Kim N, Lee J, et al. Dynamic Fas signaling network regulatesneural stem cell proliferation and memory enhancement. Sci Adv.2020; 6(17): eaaz9691.
編譯作者：Helen (Brainnews創作團隊)
校審：Victoria, Simon (Brainnews編輯部)