Science：ALS中的信息流阻断现象（附原文）

yinfuhua

, `6 P/ A. `9 A' G
/ E! N. l! P; X2 xScience：ALS中的信息流阻断现象& f1 |, q. I" F+ g7 E9 L
2014-09-17 1 来源：lifeomics 作者：筱玥 / l% O" v  Y8 t# c7 R8 k

9 {5 l- b" t3 W& [在某些神经退行性疾病中出现的双肽重复蛋白，会通过阻碍RNA的生成而产生毒性。
# ]+ }' M3 M  |肌肉萎缩性侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）也被称为 卢伽雷氏症（Lou Gehrig’s disease），它是一种灾难性的神经退行性疾病，可导致运动神经元功能的进行性缺失，往往在发病2到5年后，患者会出现瘫痪及死亡。目前，对ALS没有有效的治疗方法。ALS与另一种神经退行性疾病额颞叶失智症（frontotemporal dementia, FTD）在遗传与病理方面有一些相似之处，后者会导致患者性格和语言功能发生改变。染色体9开放读码框72（C9orf72）的突变是ALS和FTD最常见的共同遗传学成因。& a* m& g* o8 r% m$ S
C9orf72的突变被认为是ALS和FTD共同的最常见的遗传学成因。这一发现给这两个疾病的研究领域，都带来了革命性的改变，使研究者将注意力集中于该突变是如何导致疾病的机理上，并致力于寻找有效的治疗手段。突变发生于C9orf72基因的非编码区，突变形式是六核苷酸重复序列GGGGCC（G是鸟嘌呤，C是胞嘧啶）的重复次数大大超过正常。在正常人体中的重复拷贝数目介于2至23之间，而患者体内此重复序列的重复次数则达到数百甚至上千。那么，这些多余的GGGGCC序列是如何导致疾病的呢？) Z3 u- W% W& o7 T4 l4 t
目前，对此问题，有三个主流假说。第一个猜测是，这种大量的重复序列，会干扰C9orf72基因的表达，从而导致基因功能损失，对人体造成危害。另一个可能是，GGGGCC重复序列转录产物（也包括反义CCCCGG重复序列转录产物）可能会在RNA内积累，并隔离RNA结合蛋白，从而影响RNA的代谢。另一个推测，是基于长的重复序列翻译形成蛋白质的复杂过程的。重复序列在RNA（正义和反义RNA）所有六个读码框内，翻译形成蛋白质时，是以不依赖启动密码子ATG（A，腺嘌呤；T，胸腺嘧啶；G，鸟嘌呤）的形式进行的。这种重复序列相关非ATG依赖的翻译（RAN翻译）方式，产生了双肽重复蛋白甘氨酸-丙氨酸（GA），甘氨酸-脯胺酸（GP），脯胺酸-丙氨酸（PA），甘氨酸-精氨酸（GR）和脯胺酸-精氨酸（PR）。这些双肽重复蛋白自身，就具有在受累大脑区域聚集、累积的性质。当然，这三种对致病机制的假说，彼此间并不是完全排他性的，但是确定每一种机制在疾病发生中的具体作用，是十分关键的，因为只有这样，才能寻找到有效的治疗手段。
& }) _& _2 k$ O' z, |/ T2 G为了阐明重复RNA以及双肽类翻译产物对疾病发病的影响，Mizielinska等人构建了含有会阻断其翻译过程的RNA结构。研究者在正义与反义RNA上，每12个GGGGCC重复序列就构建一个终止密码子。这样一来，RNA可以表达，但是双肽翻译产物却不会产生。实验证实了纯的的重复序列及被干扰的重复序列都会形成G四重结构，以GGGGCC重复序列为特征，说明了该方法并没有从根本上影响重复结构。纯的RNA和被干扰的RNA结构都可以在培养的神经元细胞内表达形成RNA灶。研究者构建了转基因果蝇，分别表达纯的或者被干扰的GGGGCC重复序列。结果十分明显，纯的RNA序列表达产物（可以形成双肽）在果蝇眼部形成退化性损伤，而被干扰的RNA结构（只产生RNA）则不会使果蝇眼部退化。同样的，在成年果蝇的神经系统表达纯的RNA重复序列产物，会造成毒性及过早死亡，而被干扰重复序列则没有这一效应。使用环己酰亚胺作用于果蝇，可以阻断其翻译过程，从而部分地抑制其表型，据此说明毒性是来源于翻译产物。Mizielinska等人采用这一方法，阐明了GGGGCC重复序列之所以会产生毒性，RNA并非唯一的原因，还由于异常翻译产物的产生。; a( D0 V; c1 _" B/ U& s% h( z
但是，五种C9orf72重复序列的翻译双肽产物（GA, GP, PA, GR, PR）中，哪一个才是导致神经退行性改变的元凶呢？Mizielinska等人构建了分别表达这些双肽的转基因果蝇，但并未采用GGGGCC重复序列来表达双肽。由于遗传密码子具有简并性（多个密码子编码同种氨基酸），研究者可以采用不同的密码子表达相应的双肽产物（例如GR）。双肽中的两种GR和PR的表达，就足以导致果蝇的眼部或中枢系统产生毒性，乃至过早死亡。其它几种双肽的毒性要小一些，但是GA在较晚些的阶段，的确会产生毒性。这些研究结果，让研究者将目光集中在了含有精氨酸的双肽产物（GR和PR）上，此外，GA也引起了一定的注意，这些双肽产物都具有导致神经退行性改变的作用，在FTD和ALS两种疾病中，产生这些双肽以及进而导致的神经退行性变化是源于C9orf72的突变。" t2 X0 g! e1 V5 Z9 Q' g- U7 [- S
Kwon等人也发现了含有精氨酸的C9orf72表达产物双肽GR和PR会产生毒性，但提出了另一个有关这些双肽如何导致FTD和ALS的发病机理。从更广义的角度而言，他们的研究将两个目前在ALS和FTD研究领域中，最为热门的概念联系在了一起：C9orf72核苷酸重复数目超常，以及某些拥有简单序列（也被视为与朊病毒结构域类似）的RNA结合蛋白（如FUS、EWSR1、TAF15及hnRNPA2）可以形成聚合组合体，可在体外被吸收入水凝胶中。这种组装体与RNA微粒相似（例如细胞质处理小体和应激颗粒），RNA微粒在基因表达调控中发挥重要作用。很多可以与水凝胶结合的RNA结合蛋白都含有丝氨酸-精氨酸（SR）重复结构域。这些含有SR结构域的蛋白质在激酶作用下，受磷酸化（在SR结构域的丝氨酸残基上）调控。Kwon等人发现，该磷酸化过程可以控制SR蛋白与由hnRNPA2等RNA结合蛋白构成的水凝胶的结合。磷酸化可以使SR结构域蛋白从水凝胶上解离。将SR结构域蛋白上的丝氨酸经突变改换成甘氨酸（也就是用GR替换SR），会阻断激酶的作用，突变形成的SR结构域蛋白也不再能够从水凝胶上解离下来。/ Z8 U- L1 W8 F; X: ^/ p. E4 J
Kwon等人发现，一些来源于C9orf72重复序列的双肽RAN翻译产物与突变的SR结构域（GR和PR）是类似的。研究者据此提出了一个很有趣的假设：这些RAN翻译产物与水凝胶结合（或体内的类似组合，如含有RNA的微粒），但并不影响激酶的调控功能，这样一来，有可能阻断了含SR结构域的RNA结合蛋白的正常运行，使其无法在细胞内进出微粒，从而传递信息。这种信息流的阻断（也就是RNA处理过程发生改变），可能会引起细胞功能失调，并最终导致ALS和FTD中的神经退行性改变。的确，包含GR或PR结合hnRNPA2水凝胶聚合物的重组RAN翻译产物对激酶具有抵抗性（这和突变的SR结构域类似）。当Kwon等研究人员把这些重组GR和PR蛋白加入培养的细胞中时，这些蛋白质进入细胞以及细胞核，并在细胞核驻扎下来，最终导致细胞死亡（见图）。
( r5 [$ D6 _2 l1 I 4 ~) ?4 W9 |/ X3 U
细胞核大破坏。来源于基因C9orf72 GGGGCC重复序列扩增的富含精氨酸的双肽（GR和PR）聚合物可以进入细胞，到达细胞核，并在细胞核仁富集。这些双肽类物质可以干扰前体mRNA和rRNA生物合成过程中的剪接。这些双肽可能会干扰mRNA在细胞核中的输出和输入，以及它在细胞内的定位以及翻译过程。5 ], T! M8 [7 e8 J' G
为阐明GR和PR蛋白为何具有毒性，并确定其在细胞核的累积会造成怎样的后果，Kwon等人将其中一种双肽（PR）加入到培养星形胶状细胞中（一种与ALS相关的关键细胞类型），并进行RNA测序，从而评估RNA处理过程中发生了哪些改变。他们最终鉴定出了一系列的拼接改变，并发现许多不同mRNA的含量也发生了变化，此外，rRNA的合成也出现了重要损伤。这些结果表明，C9orf72重复序列扩大所产生的双肽产物，可以通过结合于细胞核，阻断多个RNA合成路径而导致疾病。Kwon等人推测，富含精氨酸的GR和PR肽类片段，可以冒充核定位信号肽，以便进入细胞核，并在RNA合成路径中造成干扰。在RNA处理路径中出现的错误，可能在最初是轻微的，并不会造成什么损害，但是经过数十年的累积，最终可能就会导致神经退行性疾病的发生。Mizielinska和Kwon分别带领的研究小组的结果，都为双肽产物的毒性在神经退行性改变中的核心作用提供了强大的支持。现在的一个关键挑战是，探寻RAN翻译产物导致神经毒性的作用机制，并重新对双肽产物对人类疾病的发生所起到的作用进行检查，重点关注的是寻找GR、PR与其它几种双肽（GP,GA,PA）的不同之处。6 k% {7 D9 v* A0 x: v
最近，Su等人的研究工作，为目前该领域的工作提供了一个新的视角，他们用生物标记物检测的方法，对来自患者脑脊液的其中一个RAN翻译产物进行探测和定量。在临床检验中，可以对疾病相关双肽的含量进行检测，以便评估针对重复RNA扩增片段的靶向治疗方法的效果。这些方法中可以对小分子、反义寡核苷酸等进行检测，Su等人的研究是针对小分子的。对RAN翻译过程分子机制的进一步阐明，有助于帮助我们发现新的、预期之外的治疗策略。也许，可以找到一些方法，特异性地阻止毒性更大的双肽的产生，而表达更多良性的产物。采用生物模型（酵母、果蝇及蠕虫等）进行无偏差筛选，鉴定双肽毒性抑制因子，并在采自患者的样本及细胞株内验证其有效性，这样的方法也有可能帮助我们揭示双肽毒性的基本作用机制，并寻找减少毒性的方法。
  p  W7 l5 h7 @' ?2 \原文检索：
: l3 w  c; \" ~/ jJoseph Paul West III & Aaron D. Gitler. Clogging information flow in ALS. Science, 5 September 2014; DOI:10.1126/science.1259461
7 r% f& X' N! i& ^5 v
) W! [  z6 z! k- f1 S
  }; R4 K8 w% o2楼原文 感谢超光速 提供

超光速

全文

yinfuhua

回复 超光速 的帖子
% F5 s! \! l0 e; Z7 A6 O- D; l& H- W% p' Y- D2 O
谢谢提供原文。