Science｜神经退行疾病治疗新手段——TDP-43蛋白病理与STMN2隐蔽剪接-多聚腺苷酸化

2023-03-28 17:55:26, 十一月

撰文丨十一月

在人类神经系统中，RNA代谢的正常维持能力会随着年龄增加而逐渐降低。RNA代谢的异常在多种神经退行性疾病比如脊髓侧索硬化症、阿尔兹海默症、额颞叶痴呆等中都是普遍的特征，但是RNA代谢出现异常的分子机制还很不清楚。TDP-43蛋白病理被认为可能是造成这些神经退行性疾病的原因。TDP-43会从细胞核中重定位到细胞核，并相称过的影响神经元的功能的聚集体。TDP-43的错误定位以及凝聚体的形成在97%的脊髓侧索硬化症患者、半数的额颞叶痴呆患者以及30-50%的阿尔兹海默症患者中存在【1-4】。

美国加州大学圣地亚哥分校Don W. Cleveland研究组、哈佛大学Clotilde Lagier-Tourenne研究组与加州大学圣地亚哥分校Ze’ev Melamed（共同第一作者）在Science发文题为Mechanism of STMN2 cryptic splice-polyadenylation and its correction for TDP-43 proteinopathies，发现TDP-43的错误定位会导致轴突再生蛋白stathmin-2前体mRNAs STMN2的隐蔽剪接以及多聚腺苷酸化，并发现通过dCasRx或者反义寡核苷酸ASOs（Antisense oligonucleotides）抑制STMN2隐蔽剪接与多聚腺苷酸化，从而恢复轴突再生能力以及stathmin-2依赖的溶酶体运输。

TDP-43作为RNA结合蛋白调节stathmin-2的前体mRNA的成熟。先前关于TDP-43结合的RNAs的分析中发现TDP-43能够与人类而非小鼠中的STMN2前体mRNA结合【5-6】。作者们首先希望鉴定出TDP-43结合STMN2的具体位点，因此将编码GU基序的24个碱基替代为19个碱基编码MS2重复片段，其中MS2与MS2结合蛋白MCP具有极高的亲和性。通过在人类神经SH-SY5Y细胞中表达携带MS2结合位点的STMN2，发现稳定状态、全长的stathmin-2 mRNAs降低了50%（图1）。尽管TDP-43的mRNA的水平没有发生明显的变化，但是短截片段化的隐蔽剪接以及多聚腺苷酸化的stathmin-2前体mRNAs出现了显著的升高。这些结果说明TDP-43结合在STMN2 mRNA的GU基序上，并且会影响mRNA的隐蔽剪接以及多聚腺苷酸化。

图1 MS2-MCP系统鉴定TDP-43与STMN2 mRNA的结合

随后，作者们想检测隐蔽剪接与多聚腺苷酸化位点是否对于TDP-43水平降低后STMN2前体mRNA的错误加工相关。为此，作者们使用基因组编辑技术在SH-SY5Y系统中分别对隐蔽剪接和3’剪接受体位点进行敲除。作者们发现基因组中破坏隐蔽剪接位点能够保护前体mRNA免受错误加工。前文提到，小鼠中STMN2 并没有与TDP-43结合的位点。作者们发现通过将人STMN2隐蔽剪接位点和多聚腺苷酸化位点引入小鼠的STMN2会引发小鼠STMN2的错误加工。

进一步地，作者们分别使用dCasRx以及反义寡核苷酸抑制了STMN2前体mRNA的错误加工，且反义寡核苷酸能够在TDP-43缺乏的运动神经元中恢复轴突的再生能力。作者们所建立的小鼠模型也证实了反义寡核苷酸能够恢复哺乳动物中枢神经系统前体mRNA的加工过程。

总的来说，作者们的工作发现神经退行性疾病病理相关蛋白TDP-43通过结合轴突再生蛋白STMN2前体mRNA中的GU基序，帮助维持运动神经元中的mRNA代谢。在TDP-43蛋白出现异常的情况下，外源引入dCasRx或者使用反义寡核苷酸能够帮助恢复轴突的再生能力。这一工作为反义寡核苷酸作为TDP-43 蛋白病治疗的潜在手段提供了新的证据。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5622

制版人：十一

参考文献

1. K. A. Josephs et al., TDP-43 is a key player in the clinical features associated with Alzheimer’s disease. Acta Neuropathol. 127, 811–824 (2014). doi: 10.1007/ s00401-014-1269-z; pmid: 24659241

2. B. S. Johnson et al., TDP-43 is intrinsically aggregation-prone, and amyotrophic lateral sclerosis-linked mutations accelerate aggregation and increase toxicity. J. Biol. Chem. 284, 20329–20339 (2009). doi: 10.1074/jbc.M109.010264;pmid: 19465477

3. T. Arai et al., TDP-43 is a component of ubiquitin-positive tau-negative inclusions in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Biochem. Biophys. Res. Commun. 351, 602–611 (2006). doi: 10.1016/ j.bbrc.2006.10.093; pmid: 17084815

4. C. Amador-Ortiz et al., TDP-43 immunoreactivity in hippocampal sclerosis and Alzheimer’s disease. Ann. Neurol. 61, 435–445 (2007). doi: 10.1002/ana.21154; pmid: 17469117

5. J. R. Tollervey et al., Characterizing the RNA targets and position-dependent splicing regulation by TDP-43. Nat. Neurosci. 14, 452–458 (2011). doi: 10.1038/nn.2778;pmid: 21358640

6. M. Polymenidou et al., Long pre-mRNA depletion and RNA missplicing contribute to neuronal vulnerability from loss of TDP-43. Nat. Neurosci. 14, 459–468 (2011). doi: 10.1038/nn.2779; pmid: 21358643