Sure BioArtMED 2024-06-14 14:30 四川
撰文 | Sure
亨廷頓疾病（Huntington’s disease, HD）是一種遺傳性神經退行性疾病，由單個基因Huntingtin（HTT）缺陷導緻，其特征是運動控制喪失以及認知能力和情緒穩定性的下降，常表現為不自主的舞蹈動作，是以又名亨廷頓舞蹈病【1】。該病遺傳方式是顯性遺傳，HTT基因的一個特定區域（CAG重複區）會異常擴充，該片段編碼一個長度可變的ployQ鍊。當這個polyQ鍊長度超過35個重複時，會導緻蛋白質功能異常，進而損害腦細胞【2】。更長的polyQ鍊傾向于形成寡聚體（oligomers）、聚集體（aggregates）和包涵體（inclusion bodies），這些結構的形成被認為是導緻神經毒性的源頭【3】。關于HD發病機制還有另外一種假說，CAG重複序列可能通過RNA層面的毒性作用影響疾病的發展【4】。雖然已知突變型mHTT蛋白會産生聚集，但聚集與神經毒性之間的聯系仍不清楚。
近日，來自美國斯坦福大學的Judith Frydman課題組在Nature Cell Biology上發表了研究論文Polyglutamine-mediated ribotoxicity disrupts proteostasis and stress responses in Huntington’s disease。在本研究中，作者探讨了HTT蛋白翻譯和聚集的調控機制，發現了CAG擴充的突變體HTT蛋白通過核糖體毒性導緻翻譯過程中的過早終止，進而釋放出易于聚集的mHTT蛋白，并進一步破壞細胞内蛋白質穩态和應激功能。這些發現不僅加深了科學家對HD發病機制的了解，也為其治療提供了潛在的幹預方案。
在人類和小鼠的HTT mRNA的5’非編碼區中存在着一個保守的上遊開放閱讀框（uORF），uORF位于主要的ORF之前可以在mRNA被翻譯成蛋白時起到調節作用。作者分析ribo-seq資料時發現uORF和主要的ORF都有核糖體啟動，當用cycloheximide（CHX）處理阻斷翻譯的延長時，核糖體占據了uORF的整個區域，但沒有延伸到主要的ORF區域，這表明uORF通過減少主要的ORF翻譯啟動抑制HTT基因在體内的翻譯。而在thapsigargin（Tg）處理誘導應激反應的情況下，大部分mRNA翻譯效率下降，但是HTT和另外一種同樣含有uORF的Atf4基因在應激條件下卻表現出mRNA翻譯增強。這表明含有uORF的mRNA在不同情況下與衆不同的翻譯行為可能對HD的發病機制和疾病進展由重要影響。進一步分析發現uORF是通過調節翻譯的起始來控制HTT蛋白的聚集，能夠延遲包涵體的形成并減少傾向于聚集的mHTT片段的生成。此外，使用翻譯起始抑制劑4EGI-1可以進一步減少這些神經毒性片段的産生，并在動物模型中改善症狀。
接下來，作者研究了polyQ序列對HD疾病發展的作用。他們利用一種病毒載體來表達、标記并檢測細胞中HTT新生鍊，研究發現polyQ鍊的擴充增加了核糖體碰撞和過早終止的風險，進而導緻了聚集傾向的mHTT片段的釋放。在翻譯具有更長polyQ鍊的mHTT蛋白時，會招募更多的翻譯品質控制（ROC）和蛋白品質控制（PQC）因子，特别是蛋白酶體與清除mHTT相關的因子。與此相反的是翻譯延伸因子eIF5A在翻譯mHTT蛋白時的顯著減少，其與mHTT的互相作用可能導緻聚集并影響神經功能。同時，随着HD小鼠模型年齡的增長，eIF5A的變化與疾病的症狀惡化相關聯，表明核糖體碰撞和相關的泛素化降解可能是HD神經退行的關鍵因素。更加重要的是，作者還發現mHTT與eIF5A互相作用并阻隔其功能，改變了數百種mRNA上的翻譯延伸，進而破壞了蛋白質穩态，這一過程形成了蛋白質穩态功能障礙的惡性循環，是以可能加劇了HD的症狀。
為了證明作者這一發現的可能性，研究人員随後探讨了HD中細胞如何響應由polyQ擴充引起的内質網應激和折疊錯誤蛋白質反應。研究發現，HD細胞在處理蛋白質折疊錯誤的應激時存在缺陷，這種應激反應引起了翻譯啟動因子eIF2a的磷酸化，以及由此誘發的整合應激反應。尤其是mHTT導緻的eIF5A減少妨礙了保護性因子的有效翻譯，通過補充eIF5A可以在一定程度上提高HD細胞在内質網應激下保護因子的表達。作者認為通過減少eIF5A的丢失或增加其活性可以作為治療HD的潛在政策。
最後，作者認為如果mHTT使細胞對應激反應更加敏感，那麼HD細胞對增加核糖體碰撞的藥物就會特别敏感，這些藥物通過減慢翻譯延伸來觸發核糖體碰撞。然而，這些細胞對通過減慢翻譯啟動的藥物反應較弱，是以降低翻譯啟動速率可以減少核糖體碰撞和過早終止。這些結果說明在HD細胞中，通過調節翻譯啟動與延伸的平衡，可以潛在的減輕病理狀态下核糖體碰撞和相關的應激反應，這為HD治療提供了可能的幹預途徑。
總的來說，這篇文章發現了降低mHTT水準和對抗其細胞毒性的靶點，CAG擴張會因核糖體碰撞而導緻翻譯終止，釋放出具有神經毒性的mHTT片段，進而通過聚集隔絕eIF5A和其他蛋白質品質控制因子，導緻神經元細胞蛋白質穩态障礙，抑制保護性應激反應的誘導。這些發現将有助于指導HD疾病治療，提供了全新的幹預政策。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41556-024-01414-x
制版人：十一
參考文獻
1. Bates, G. P. et al. Huntington disease. Nat. Rev. Dis. Prim. 1, 15005 (2015).
2. Finkbeiner, S. Huntington’s disease. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 3, a007476 (2011).
3. Jimenez-Sanchez, M., Licitra, F., Underwood, B. R. & Rubinsztein, D. C. Huntington’s disease: mechanisms of pathogenesis and therapeutic strategies. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 7, a024240 (2017).
4. Nalavade, R., Griesche, N., Ryan, D. P., Hildebrand, S. & Krauß, S. Mechanisms of RNA-induced toxicity in CAG repeat disorders. Cell Death Dis. 4, e752 (2013).