hnRNPA1致病淀粉样聚集的分子机制及在渐冻人症中的作用

责编 | 酶美

蛋白质的液-液相分离和相变在多种生物学过程中起重要作用。在神经退行性疾病，特别是渐冻人症中，蛋白相分离调控的紊乱会导致多种蛋白（如TDP-43, hnRNPA1，FUS等）的液-固相转化，产生致病淀粉样聚集体。淀粉样聚集体的产生和传播与相应疾病的发展密切相关。上海交通大学Bio-X研究院李丹课题组长期致力于研究神经退行性疾病中关键致病蛋白相分离调控机理以及病理条件下液-固相转化的分子机制。课题组前期研究发现渐冻人症关键致病蛋白hnRNPA1形成高度可逆淀粉样聚集体，并阐释其在动态调控液-液相分离中的关键作用（参见：Nat Comm | 刘聪/李丹合作揭示渐冻人症致病蛋白hnRNPA1相分离的调控机制）。

在此工作的基础上，李丹课题组与中科院上海有机所交叉中心刘聪课题组合作，发现hnRNPA1通过液-固相转化形成高度稳定且具有显著细胞毒性的不可逆淀粉样纤维聚集体，进一步通过低温冷冻电镜解析致病纤维聚集体的近原子分辨率结构，并阐释其液-固相转化的分子机制。相应工作于2021年1月11日发表在Nature Communications，题为：The nuclear localization sequence mediates hnRNPA1 amyloid fibril formation revealed by cryoEM structure。

核不均一性核糖核蛋白A1（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1，hnRNPA1）在RNA加工和代谢中起到关键作用。hnRNPA1本身具有很强的液-液相分离能力。在压力刺激下，其通过结合核转运蛋白β2（Kapβ2）来进行核质运输，并在压力颗粒中行使功能。这一动态过程调控的紊乱导致hnRNPA1的液-固相转化，并与渐冻人症发病密切相关。在渐冻人症遗传家系中鉴定出多个直接影响hnRNPA1液-固相转化的遗传突变，这更进一步表明其液-固相转化在渐冻人症中的重要病理作用。

在本项工作中，研究人员发现hnRNPA1在液-液相分离形成高度可逆的淀粉样聚集体之后，会进一步发生液-固相转化形成具有高度稳定性的不可逆淀粉样聚集体。更为重要的是，这种不可逆聚集体具有较强的细胞毒性。进一步，研究人员通过冷冻电子显微镜技术，确定了hnRNPA1 LCD（Low complexity domain）形成的致病不可逆淀粉样纤维的高分辨结构。令人惊奇的是，hnRNPA1的纤维核心区完全由hnRNPA1的核定位序列（PY-NLS）自组装形成，而PY-NLS在正常生理条件下，正是通过与Kapβ2 C端的直接结合而实现hnRNPA1在细胞核与细胞质间的转运。参与hnRNPA1与Kapβ2形成关键相互作用的氨基酸残基也是介导hnRNPA1固-液相转化的关键位点。例如：与Kapβ2的疏水性区域互作的263FGNY266和273FGPM276片段对于hnRNPA1原纤维纽结形成致病纤维至关重要（图1）。因此，Kapβ2与PY-NLS的结合可以直接阻止其驱动hnRNPA1的致病淀粉样纤维的形成，这为在正常生理条件下Kapβ2有效抑制hnRNPA1聚集的功能提供了结构上的解释。此外，在家族性渐冻人症和多系统蛋白沉积病的患者中鉴定出的hnRNPA1遗传突变均与hnRNPA1 LCD不可逆淀粉样纤维核心的形成以及稳定性维持密切相关。

图1. PY-NLS在Kapβ2复合体中以及hnRNPA1 LCD淀粉样纤维中的结构分析

结合本团队之前的研究，研究人员揭示了hnRNPA1通过其LCD形成不同的结构来执行不同的生理及病理功能。在生理条件下，hnRNPA1通过PY-NLS与Kapβ2结合在细胞核和细胞质之间穿梭。在响应细胞信号刺激后，LCD通过多价相互作用和可逆淀粉样蛋白相互作用驱动hnRNPA1发生动态液-液相分离来参与应激颗粒的组装并执行其功能。在诸如遗传突变等引起的病理条件下，hnRNPA1 LCD与Kapβ2的结合力下降或相分离过程紊乱，引起hnRNPA1 LCD尤其是PY-NLS的暴露，从而导致病理性淀粉样纤维的形成和相应神经退行性病变的发生（图2）。本项工作不仅在近原子分辨率水平上阐释了PY-NLS在驱动hnRNPA1淀粉样蛋白聚集中的关键作用，还加深了对Kapβ2阻遏致病淀粉样聚集机理的理解，为渐冻人症疾病的药物设计与研发提供了新思路。

图2. hnRNPA1通过其LCD形成不同结构来适应不同功能的模式图

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20227-8

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