STM | RNA结合蛋白在心脏衰竭中的调节机制

2022-12-28 15:18:21, 亦

撰文丨亦


心脏病变的一大特点是胞外基质（extracellularmatrix, ECM）的剧烈重塑，它是组织应对环境改变的补偿性策略【1】，影响组织特异性细胞应答和功能【2-3】，最终导致心脏衰竭（heart failure, HF）。病理性心脏的标志是胎儿心脏遗传程序的重激活【4】，心肌细胞对随之而来生物学压力的响应体现在通过转录及转录后过程如可变剪切（alternative splicing, AS）来重新表达胎儿收缩蛋白。RNA结合蛋白（RBP）中，不均一核糖核蛋白（hnRNPs）家族包含了一大类控制mRNA动力学的RNA和蛋白质【5】，其错误定位和失调与癌症、阿尔兹海默症、额颞叶痴呆等多种病理相关【6】。研究提示机械信号能够控制RNA稳态【7-9】，但此过程的分析基础尚不明晰。

2022年11月23日，来自国际临床研究中心的Stefania Pagliari和Giancarlo Forte共同在Science translational medicine上发表了题为The mechanical regulation of RNA binding protein hnRNPC in the failing heart的文章，发现hnRNPC在ECM重塑时上调并转移至肌节Z盘，在这里hnRNPC与翻译相关，其表达、磷酸化和定位影响力传导和心血管疾病相关的mRNAs的AS，阐释了病理条件下mRNA稳态机械调节的新机制。


作者首先分析了4个已发表的表达阵列数据库，发现在缺血和非缺血的心脏疾病中hnRNPC都上调，17个病人的数据也支持这一点。免疫沉淀实验发现有55个蛋白在两种情形下均与hnRNPC存在互作，主要互作的组分是剪切体复合物，功能富集分析显示HF特异的hnRNPC互作成分属于肌原纤维，提示病理性心脏中hnRNPC的差异定位。质谱分析显示HF中hnRNPC可能迁移至肌节，结构化照明显微镜观察到hnRNPC定位在肌节Z盘。在C57BL/6冠状动脉结扎小鼠模型中，hnRNPC移动至肌节，与肌节组分（FHL2, PDLIM5, MYH）相互作用。这说明hnRNPC在生理和病理条件下可能具有不同的功能。

图1 研究hnRNPC互作子的策略流程

对来自3位HF病人样本的RBP IP（RIP）实验数据进行分析，作者发现hnRNPC在肌节转录本剪切控制中同时发挥着直接和间接作用，影响其他RBPs的转录后调控。hnRNPC富含外显子的靶点富集肌原纤维，肌钙蛋白复合物等收缩相关转录本，涉及的主要生物学过程包括肌肉结构发育、收缩和肌原纤维装配。hnRNPC富含内含子的靶点则与信号转导调节，细胞通讯，心脏发育等有关。这提示hnRNPC除了已知的剪切作用外，还对于靶点的翻译调节起作用。进一步的研究发现HF的肌节中有核糖体，是蛋白质翻译的活跃位点，体外的iPSC-CMs培养实验发现hnRNPC定位于这些区域，且其定位对于培养基的硬度敏感，会受人真皮纤维（NHDFs）体积的影响，由周围环境的细胞内部张力和细胞延伸性控制，但黏连不影响hnRNPC定位。

图2 研究hnRNPC RNA靶点的策略流程

作者在NHDFs中使用siRNA敲低hnRNPC，鉴定出了2,032个RNA转录本的差异剪切，这些基因参与细胞的机械力传导和细胞黏连。特别地，Hippo信号通路的15个组分也呈现差异AS，如其主要效应器YAP1，hnRNPC的删除促进YAP1转录本中4号外显子的包含，影响其与YAP1-1 和YAP1-2剪切变体的整体平衡。2,032个转录本中，有1,738个有至少1个hnRNPC结合位点，能够与RBP相互作用，作者最终鉴定出了748个与hnRNPC互作的转录本，其中就有7个Hippo途径组分，说明hnRNPC直接参与编码机械力传导相关基因的前体mRNAs的AS调控。最后，作者发现AS受hnRNPC调控的基因与心脏疾病相关。

总的来说，文章发现缺血慢性心肌病伴随着RBP hnRNPC的紊乱表达，hnRNPC被蛋白激酶C磷酸化，呈现特有的肌节分布，与病理状态下ECM重塑的翻译相关。进一步地，文章证实了 hnRNPC细胞内定位受ECM重塑过程中的生物机械力影响，足以引起编码机械敏感Hippo途径组分相关编码转录本的AS，提出hnRNPC可作为心脏衰竭中影响RNA代谢的机械敏感性开关。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abo5715


制版人：十一



参考文献


1. L. Smith, S. Cho, D. E. Discher, Mechanosensing of matrix by stem cells: From matrix heterogeneity, contractility, and the nucleus in pore-migration to cardiogenesis and muscle stem cells in vivo. Semin. Cell Dev. Biol. 71, 84–98 (2017).
2. H. E. Kim, S. S. Dalal, E. Young, M. J. Legato, M. L.Weisfeldt, J. D’Armiento, Disruption of the myocardial extracellular matrix leads to cardiac dysfunction. J. Clin. Invest. 106, 857–866 (2000).
3. M. W. Parker, D. Rossi, M. Peterson, K. Smith, K. Sikström, E. S. White, J. E. Connett, C. A. Henke, O. Larsson, P. B. Bitterman, Fibrotic extracellular matrix activates a profibrotic positive feedback loop. J. Clin. Invest. 124, 1622–1635 (2014).
4. E. N. Olson, M. D. Schneider, Sizing up the heart: Development redux in disease. Genes Dev. 17, 1937–1956 (2003).
5. T. Geuens, D. Bouhy, V. Timmerman, The hnRNP family: Insights into their role in health and disease. Hum. Genet. 135, 851–867 (2016).
6. M. C. Lechler, D. C. David, More stressed out with age? Check your RNA granule aggregation. Prion 11, 313–322 (2017).
7. H. Liu, L. Tang, Mechano-regulation of alternative splicing. Curr. Genomics 14, 49–55 (2013).
8. L. J. Simpson, J. S. Reader, E. Tzima, Mechanical regulation of protein translation in the cardiovascular system. Front. Cell Dev. Biol. 8, 34 (2020).
9. T. Wang, S. Hamilla, M. Cam, H. Aranda-Espinoza, S. Mili, Extracellular matrix stiffness and cell contractility control RNA localization to promote cell migration. Nat. Commun. 8, 896 (2017).
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