神经退行性疾病中TDP-43调控UNC13A的分子机制

撰文 | 十一月

神经退行性疾病中脊髓侧索硬化症以及额颞叶痴呆的一个显著的病理学特征是脊髓和大脑神经元中细胞核中RNA结合蛋白TDP-43的缺失【1】。TDP-43的主要功能是在RNA剪接过程中隐藏外显子内含（Cryptic exon inclusion）的阻遏因子（即阻止隐藏外显子的剪接和翻译）【2,3】。在人类全基因组关联研究后中，其中一个关键基因UNC13A的单核苷酸多态性与脊髓侧索硬化症以及额颞叶痴呆相关【4】，但是这些单核苷酸多态性变异与疾病风险增加之间的关系尚不清楚。

2022年2月23日，美国斯坦福大学Aaron D. Gitler研究组以及美国梅奥医学中心Leonard Petrucelli研究组合作在Nature上发表了文章TDP-43 represses cryptic exon inclusion in the FTD-ALS gene UNC13A；同期，英国伦敦大学学院皇后广场神经研究所Pietro Fratta研究组以及美国国立卫生研究院神经疾病和中风研究所Michael E. Ward研究组合作发表了背靠背文章TDP-43 loss and ALS-risk SNPs drive mis-splicing and depletion of UNC13A，发现TDP-43通过抑制UNC13A mRNA中隐藏的外显子剪接的方式来确保UNC13A蛋白水平的稳定，而在TDP-43功能发生障碍时，UNC13A隐藏外显子内含增加，造成移码突变使得UNC13A蛋白水平降低，最终导致神经退行性疾病的发生，为隐藏外显子内含等剪接事件与疾病发生机制之间的联系提供了新的证据。

TDP-43是由TARDBP基因编码的、普遍表达的RNA结合蛋白，通常定位于细胞核，并且在RNA转录、选择性剪接和RNA转运等RNA加工活动中发挥作用。当TDP-43发生异常时，会有一些异常的隐藏外显子被剪接到mRNA之中，导致移码突变、提前终止以及RNA稳定性降低。早先的研究曾发现，编码微管稳定性调节因子stathmin 2基因STMN2，当TDP-43降低或者消除时，STMN2的表达显著降低【5-6】。STMN2包含一个隐蔽的外显子，该外显子在正常情况下被排除在成熟的STMN2 mRNA之外，STMN2的第一个内含子包含一个TDP-43结合位点，TDP-43发生异常时会导致STMN2 mRNA片段中断，这似乎是散发性以及家族性脊髓侧索硬化症发生的特征之一。因此，作者们想知道TDP-43是否还调节其他的mRNA靶点以及影响与神经退行性疾病相关蛋白的表达。

为此，作者们采用了使用荧光激活细胞分选的方式来富集额颞叶痴以及脊髓侧索硬化症患者脑组织中包含TDP-43和不包含TDP-43的神经元细胞核，并进行了RNA-seq测序分析。通过该分析，作者们发现了266个发生变化的mRNA剪接变化，其中UNC13A是选择性剪接水平最显著的基因之一。当神经元细胞核中TDP-43缺失的时候，UNC13A的mRNA水平以及蛋白水平显著降低，并且作者们发现UNC13A中出现了隐藏外显子内含的现象。另外，通过使用短发夹RNA敲除TDP-43，作者们证明了TDP-43直接调控UNC13A隐藏外显子剪接事件，使得本该被切掉的外显子被保留了下来，导致UNC13A蛋白的减少。

仅仅在体外细胞系统以及诱导多能干细胞产生的神经元中证明隐藏外显子剪接事件是不够的，为了进一步扩展对于UNC13A隐藏外显子剪接的研究，作者们通过梅奥医学中心以的额叶皮层大脑样本银行以及纽约基因组中心对健康对照组与额颞叶痴呆患者组织样本检测UNC13A隐藏外显子剪接的情况。通过隐藏外显子探针结合神经元细胞核标记物NeuN以及TDP-43免疫染色，作者们确认当神经元细胞核中TDP-43消除时，UNC13A的隐藏外显子会被特异性探针标记出来（图2），说明隐藏外显子内含现象的发生。

图2 额颞叶痴呆患者运动神经元细胞核中TDP-43缺失会导致UNC13A隐藏外显子出现

另外，通过多个全基因组关联研究，作者们发现UNC13A中与脊髓侧索硬化症以及额颞叶痴呆相关的高风险单核苷酸多态性会导致隐藏外显子剪接异常。该结果说明TDP-43调节UNC13A隐藏外显子剪接，并且当TDP-43功能失调时，与人类神经退行性疾病相关的易感性相关的遗传变异会增强隐外显子内含的过程，而且作者们发现这些风险单核苷酸多态性会降低病人的存活率。

总的来说，这两篇背靠背文章发现RNA结合蛋白TDP-43通过调节隐藏外显子内含的方式导致脊髓侧索硬化症以及额颞叶痴呆风险基因UNC13A隐藏外显子内含，从而促进UNC13A的mRNA水平以及蛋白水平显著降低，最终影响病人的生存。该发现为TDP-43的生物学功能以及具体作用分子机制提供新的思考，也为神经退行性疾病相关药物和治疗方案的开发提供了新的靶点。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04424-7

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04436-3

制版人：十一

参考文献

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Klim, J. R. et al. ALS-implicated protein TDP-43 sustains levels of STMN2, a mediator of motor neuron growth and repair. Nat. Neurosci. 22, 167–179 (2019).

Lagier-Tourenne, C., Polymenidou, M. & Cleveland, D. W. TDP-43 and FUS/TLS: emerging roles in RNA processing and neurodegeneration. Hum. Mol. Genet. 19, 46–64 (2010).

Van Es, M. A. et al. Genome-wide association study identifies 19p13.3 (UNC13A) and 9p21.2 as susceptibility loci for sporadic amyotrophic lateral sclerosis. Nat. Genet. 41, 1083–1087 (2009).

Melamed, Z. et al. Premature polyadenylation-mediated loss of stathmin-2 is a hallmark of TDP-43-dependent neurodegeneration. Nat. Neurosci. 22, 180–190 (2019).

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