上海有机所揭示RNA调控渐冻人症致病蛋白TDP-43形成应激核体

haorizi111

TDP-43是一种重要的RNA结合蛋白，其基因突变可引起肌萎缩性侧索硬化症（ALS，俗称“渐冻人症”）。在正常细胞中，TDP-43蛋白主要弥散分布于细胞核内，但可穿梭至胞浆并与其它蛋白相互作用形成应激颗粒等各种核糖核蛋白复合物，参与RNA剪切、成熟、加工、运输、转运、翻译、降解等多个步骤的调控。在疾病状态下，TDP-43在胞浆中形成异常蛋白聚集被认为与ALS的发生发展密切相关。近期研究显示液-液相分离（LLPS）介导了无膜、液滴状的应激颗粒的生成，而其异常相变被认为是导致胞浆形成TDP-43蛋白聚集并引发ALS的关键致病机制之一。需要指出的是，细胞应激时尽管部分TDP-43蛋白被招募到胞浆中参与应激颗粒的组装，但绝大部分的TDP-43依然驻留在细胞核内。遗憾的是，核内TDP-43在细胞应激时的反应及其在ALS发病中的作用长期以来被忽视和低估。
　　2020年7月9日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗研究员课题组和刘聪研究员课题组合作，在Molecular Cell在线发表题为“Stress induces dynamic, cytotoxicity-antagonizing TDP-43 nuclear bodies via paraspeckle lncRNA NEAT1-mediated liquid-liquid phase separation”的最新论文。该研究揭示了不同类型的RNA精密调控TDP-43的相分离状态，使其在细胞应激时于核内形成具有细胞保护功能的无膜、液滴状、高度动态且可逆的核颗粒，该研究团队将之命名为“TDP-43核体” 。
       这项研究表明TDP-43核体是通过TDP-43蛋白的液-液相分离所形成，这一过程被RNA严格调控。TDP-43蛋白序列中的两个RNA识别域RRM1和RRM2分别发挥着不同甚至相互拮抗的“向心–离心”作用，因而缺乏RRM1或RRM2的TDP-43核体分别展现出有趣的“核”-“环” 形态。总RNA对TDP-43蛋白相分离具有抑制作用，这与细胞核中相对“抑制性”的微环境一致，因此很少看到正常细胞自发形成的TDP-43核体。该研究团队发现，细胞应激时神经元中长链非编码RNA (lncRNA) NEAT1 的水平明显升高而且与TDP-43核体共定位。体外实验结果显示NEAT1可以明显促进TDP-43蛋白相分离的发生，并且下调细胞中NEAT1水平会显著减少应激细胞中TDP-43核体的形成，因此证明NEAT1对于TDP-43形成应激核体具有重要调控作用。
　　研究人员在这项工作中进一步发现，与所有其它已知的ALS致病突变主要集中在影响蛋白-蛋白相互作用的功能域不同，TDP-43蛋白的D169G位突变（存在于ALS病人中）位于其RNA识别域RRM1中，并能严重影响lncRNA NEAT1促进TDP-43相分离和核体组装的功能，导致细胞应激时有更多TDP-43蛋白从核内转移至胞浆中，持续应激下进一步发展成具有ALS病理特征的高度磷酸化的TDP-43蛋白聚集体（图1）。与此一致的是D169G突变的TDP-43在人源细胞和果蝇模型中均引起比野生型TDP-43更强的细胞毒性和神经退化的表型。

图1. TDP-43核体响应细胞应激和参与ALS疾病发生的分子机制示意图

　　过去大量工作聚焦在TDP-43异常出核和参与应激颗粒的研究，该研究突破这一惯性思维的限制，提示TDP-43核体的形成或许是细胞应激时的 “第一防线”，其组装或功能异常可能与ALS的发生有重要关系，为ALS发病机制和治疗策略的研究提供新的思路和视角。
　　该论文的共同第一作者是中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究生王晨、段永嘉和段钢，方燕姗研究员和刘聪研究员为共同通讯作者。参与该项研究的还有美国Thomas Jefferson大学的郭琳教授。该研究的经费支持主要来自国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院和上海市科委。   
　　原文链接： https://doi.org/10.1016/j.molcel.2020.06.019


       文章来源：上海有机所
       方燕姗，中国科学院上海有机化学研究所研究员。课题组主要研究方向为神经损伤和神经退行性疾病中的神经轴突退化变性坏死（axon degeneration）。组运用全新的果蝇神经损伤活体动物模型结合分子遗传学、细胞生物学、生物化学、药物化学、高分辨率荧光成像、新一代测序技术、现代蛋白质组学和代谢组学等技术研究调控神经轴突退化变性坏死和促进神经再生的分子机制，并以此作为基础开发用于疾病诊断治疗的生物标志物和新型药物。
       刘聪，上海有机所研究员。于2008年博士毕业于北京大学，之后在美国ucla&hhmi从事博士后工作（2008年-2013年）。在science、nsmb、nature chemistry、elife、pnas、jacs等发表15篇科学论文。