
上海有機所揭示RNA調(diào)控漸凍人癥致病蛋白TDP-43形成應(yīng)激核體
TDP-43是一種重要的RNA結(jié)合蛋白,其基因突變可引起肌萎縮性側(cè)索硬化癥(ALS,俗稱“漸凍人癥”)。在正常細胞中,TDP-43蛋白主要彌散分布于細胞核內(nèi),但可穿梭至胞漿并與其它蛋白相互作用形成應(yīng)激顆粒等各種核糖核蛋白復(fù)合物,參與RNA剪切、成熟、加工、運輸、轉(zhuǎn)運、翻譯、降解等多個步驟的調(diào)控。在疾病狀態(tài)下,TDP-43在胞漿中形成異常蛋白聚集被認為與ALS的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。近期研究顯示液-液相分離(LLPS)介導(dǎo)了無膜、液滴狀的應(yīng)激顆粒的生成,而其異常相變被認為是導(dǎo)致胞漿形成TDP-43蛋白聚集并引發(fā)ALS的關(guān)鍵致病機制之一。需要指出的是,細胞應(yīng)激時盡管部分TDP-43蛋白被招募到胞漿中參與應(yīng)激顆粒的組裝,但絕大部分的TDP-43依然駐留在細胞核內(nèi)。遺憾的是,核內(nèi)TDP-43在細胞應(yīng)激時的反應(yīng)及其在ALS發(fā)病中的作用長期以來被忽視和低估。
2020年7月9日,中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心方燕姍研究員課題組和劉聰研究員課題組合作,在Molecular Cell在線發(fā)表題為“Stress induces dynamic, cytotoxicity-antagonizing TDP-43 nuclear bodies via paraspeckle lncRNA NEAT1-mediated liquid-liquid phase separation”的最新論文。該研究揭示了不同類型的RNA精密調(diào)控TDP-43的相分離狀態(tài),使其在細胞應(yīng)激時于核內(nèi)形成具有細胞保護功能的無膜、液滴狀、高度動態(tài)且可逆的核顆粒,該研究團隊將之命名為“TDP-43核體” 。
這項研究表明TDP-43核體是通過TDP-43蛋白的液-液相分離所形成,這一過程被RNA嚴格調(diào)控。TDP-43蛋白序列中的兩個RNA識別域RRM1和RRM2分別發(fā)揮著不同甚至相互拮抗的“向心–離心”作用,因而缺乏RRM1或RRM2的TDP-43核體分別展現(xiàn)出有趣的“核”-“環(huán)” 形態(tài)???/span>RNA對TDP-43蛋白相分離具有抑制作用,這與細胞核中相對“抑制性”的微環(huán)境一致,因此很少看到正常細胞自發(fā)形成的TDP-43核體。該研究團隊發(fā)現(xiàn),細胞應(yīng)激時神經(jīng)元中長鏈非編碼RNA (lncRNA) NEAT1 的水平明顯升高而且與TDP-43核體共定位。體外實驗結(jié)果顯示NEAT1可以明顯促進TDP-43蛋白相分離的發(fā)生,并且下調(diào)細胞中NEAT1水平會顯著減少應(yīng)激細胞中TDP-43核體的形成,因此證明NEAT1對于TDP-43形成應(yīng)激核體具有重要調(diào)控作用。
研究人員在這項工作中進一步發(fā)現(xiàn),與所有其它已知的ALS致病突變主要集中在影響蛋白-蛋白相互作用的功能域不同,TDP-43蛋白的D169G位突變(存在于ALS病人中)位于其RNA識別域RRM1中,并能嚴重影響lncRNA NEAT1促進TDP-43相分離和核體組裝的功能,導(dǎo)致細胞應(yīng)激時有更多TDP-43蛋白從核內(nèi)轉(zhuǎn)移至胞漿中,持續(xù)應(yīng)激下進一步發(fā)展成具有ALS病理特征的高度磷酸化的TDP-43蛋白聚集體(圖1)。與此一致的是D169G突變的TDP-43在人源細胞和果蠅模型中均引起比野生型TDP-43更強的細胞毒性和神經(jīng)退化的表型。

圖1. TDP-43核體響應(yīng)細胞應(yīng)激和參與ALS疾病發(fā)生的分子機制示意圖
過去大量工作聚焦在TDP-43異常出核和參與應(yīng)激顆粒的研究,該研究突破這一慣性思維的限制,提示TDP-43核體的形成或許是細胞應(yīng)激時的 “第一防線”,其組裝或功能異??赡芘cALS的發(fā)生有重要關(guān)系,為ALS發(fā)病機制和治療策略的研究提供新的思路和視角。
該論文的共同第一作者是中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心研究生王晨、段永嘉和段鋼,方燕姍研究員和劉聰研究員為共同通訊作者。參與該項研究的還有美國Thomas Jefferson大學(xué)的郭琳教授。該研究的經(jīng)費支持主要來自國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和上海市科委。
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