Mol Cell | 脆性X蛋白FMRP抑制翻译起始的新机制

撰文|存中一贯

脆性X蛋白（Fragile X protein,FMRP）是一个研究深入的转录抑制因子，其功能失调是自闭症和一些智力缺陷发生的单基因诱导因素【1】。过往研究表明，FMRP的不同结合位点会影响转录本的代谢，FMRP往往结合在基因的GC富集区域，比如CDS区域【2】。近期一些研究同样表明，FMRP也能结合在mRNA的5’-UTR和3’-UTR区域，而且这种结合需要mRNA的多聚腺苷酸化以及PABPC1蛋白的相互作用【3】。另外，之前的研究显示，FMRP能够抑制eIF4E结合的mRNA翻译，但最近的研究发现，FMRP同样能够抑制加帽蛋白复合体CBP80-CBP20结合的mRNA翻译【4】，说明在eIF4E取代CBP80-CBP20复合物之前，FMRP就已经结合在新生的mRNA上，而FMRP对mRNA的稳定作用可能在mRNA向核糖体的转运过程中便已经发挥了，而且FMRP的磷酸化对于其功能的发挥至关重要【5】。

上述研究发现都表明，FMRP在基因转录中发挥了重要作用，但目前还有一些问题依然没有得到解决，比如尽管一些研究表明FMRP通过阻滞核糖体实现对mRNA翻译的抑制作用【6】，但 另 一些研究也同样证实FMRP与多聚核糖体之间不存在直接的相互作用，反而与RNA颗粒相互作用【7,8】。因此， FMRP到底与哪些蛋白结合以及怎么调控翻译的发生依然需要详细的实验和研究 。

近日，来自美国罗切斯特大学的Lynne E. Maquat带领团队在 Molecular Cell 杂志发表了 文章

FMRP drives mRNP targets into translationally silenced complexes

研究人员在HEK293细胞中进行了详细的免疫共沉淀实验，同时添加CHX以阻断核糖体延伸，并添加RNA酶以去除那些由RNA介导的相互作用，最终检测到的是真实与FMRP存在直接相互作用的蛋白。结果显示，PABPC1与FMRP之间存在直接相互作用，不过RNA酶处理减弱了这种相互作用，说明mRNA在两者之间的结合中体现了一些积极的作用。核糖体40S亚基组分RPS6以及60S组分RPL5都不与FMRP结合，而CBP80和EJC组分eIF4A3都能与FMRP结合，但其结合依赖于mRNA，这同样证实了FMRP能够抑制CBP80-CBP20以及EJC结合的mRNA翻译的结论。

eIF4E与FMRP的结合不能说明FMRP结合的mRNA与核糖体发生相互作用，因为eIF4E取代CBC并不需要翻译的发生，但研究人员的结果显示，eIF4E和FMRP的结合与RNA酶的添加呈负相关性，用RNA酶处理样本后两者的相互作用加强，这说明eIF4E和FMRP之间可能存在直接的相互作用。

另外，能够促进mRNA的5’ UTR区域二级结构解旋的eIF4A1也没有检测到与FMRP的相互作用，因此FMRP结合的mRNA可能无法直接进入40S核糖体亚基。而研究结果也表明，FMRP结合的mRNA在翻译起始阶段被物理隔离，因为FMRP的相互作用蛋白中没有eIF3a或eIF3d以及eIF4G1或eIF4G2，eIF3a和eIF3d是eIF3的亚基，能够通过核糖体亚基传递给mRNA；而eIF4G1和eIF4G2则通过PABPC1和CBC或者eIF4E连接mRNA。尽管也有研究人员假设CYFIP1介导FMRP和eIF4E的相互作用，并抑制翻译起始，但在本实验中同样没有观察到CYFIP1和FMRP的结合，下调CYFIP1也没有影响FMRP介导的翻译抑制和mRNA保护。其它的一些能够抑制eIF4E结合mRNA翻译的抑制因子，如4E-BP1，4E-BP2，4E-T，LARP1等同样没有检测到与FMRP的结合。

为了确认上述结果的特异性，研究人员还在不添加RNA酶的样本中检测了已知的FMRP能够结合的mRNA，例如编码mTOR，TSC2以及UPF1等基因的mRNA，结果确实证实FMRP能够与相关mRNA结合，但结合的比例很低，只有4%-6%，另外，核糖体组分28S和18S rRNA也未检测到与FMRP的结合。

以上结果表明，FMRP并不与核糖体组分结合，而与一些帽结合蛋白存在相互作用，这与之前的假设不同，即FMRP并不结合在CDS区以阻滞核糖体延伸，反而结合在5’ UTR区域阻止翻译起始。研究人员通过梯度分馏实验，发现FMRP主要在mRNP组分中检测到，而在40S亚基组分中没有检测到，再次证明了上述IP结果。另外，两个RNP颗粒marker蛋白G3BP1和ATXN2L同样大部分定位于mRNP组分中，说明大部分FMRP定位于细胞质中含有ATXN2L的颗粒状结构中。

之后，研究人员还发现，FMRP的磷酸化（小鼠中是S499，人中是S479）对于FMRP行使保护mRNA以及抑制其翻译是非常重要的。FMRP的磷酸化由激酶CKII催化，这个修饰能够促进FMRP与ATXN2L和PABPC1的结合，但不影响FMRP与eIF4E的相互作用。利用抑制剂抑制FMRP的磷酸化会减弱FMRP靶向的mRNA与FMRP的结合，并降低mRNA的总量。

最后，研究人员通过实验证实，FMRP在神经元细胞中并不与核糖体40S亚基相互作用，并在小鼠的大脑中阻止了40S核糖体亚基与mRNA的结合，进一步说明了FMRP抑制基因翻译的真实机制。研究人员还对FMRP的不同结构域功能进行了检测，发现其KH1和KH2结构域在与帽蛋白的结合中发挥了关键作用。

总之，本研究通过详细的免疫共沉淀实验，发现翻译抑制因子FMRP通过结合在5’-CAP区域阻止mRNA翻译起始的分子机制，这与之前的研究不同，阐明了FMRP抑制翻译以及保护mRNA的新机制，对于理解和靶向治疗FMRP单基因缺陷引起的智力残障提供了新的思路。

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.06.012

制版人： 十一

参考文献

1. Richter, J.D., and Zhao, X. (2021). The molecular biology of FMRP: new insights into fragile X syndrome. Nat. Rev. Neurosci. 22, 209–222.

2. Darnell, J.C., Jensen, K.B., Jin, P., Brown, V., Warren, S.T., and Darnell, R.B. (2001). Fragile X mental retardation protein targets G quartet mRNAs important for neuronal function. Cell 107, 489–499.

3. Kurosaki, T., Mitsutomi, S., Hewko, A., Akimitsu, N., and Maquat, L.E. (2022). Integrative omics indicate FMRP sequesters mRNA from translation and deadenylation in human neuronal cells. Mol. Cell 82, 4564–4581.

4. Kurosaki, T., Imamachi, N., Pro¨ schel, C., Mitsutomi, S., Nagao, R., Akimitsu, N., and Maquat, L.E. (2021). Loss of the fragile X syndrome protein FMRP results in misregulation of nonsense-mediated mRNA decay. Nat. Cell Biol. 23, 40–48.

5. Ceman, S., O’Donnell, W.T.O., Reed, M., Patton, S., Pohl, J., and Warren, S.T. (2003). Phosphorylation influences the translation state of FMRPassociated polyribosomes. Hum. Mol. Genet . 12, 3295–3305.

6. Darnell, J.C., Van Driesche, S.J., Zhang, C., Hung, K.Y.S., Mele, A., Fraser, C.E., Stone, E.F., Chen, C., Fak, J.J., Chi, S.W., et al. (2011). FMRP stalls ribosomal translocation on mRNAs linked to synaptic function and autism. Cell 146, 247–261.

7. Anadolu, M.N., Sun, J., Kailasam, S., Chalkiadaki, K., Krimbacher, K., Li, J.T.Y., Markova, T., Jafarnejad, S.M., Lefebvre, F., Ortega, J., et al. (2023). Ribosomes in RNA granules are stalled on mRNA sequences that are consensus sites for FMRP association. J. Neurosci. 43, 2440– 2459.

8. El Fatimy, R., Davidovic, L., Tremblay, S., Jaglin, X., Dury, A., Robert, C., De Koninck, P., and Khandjian, E.W. (2016). Tracking the fragile X mental retardation protein in a highly ordered neuronal ribonucleoparticles population: A link between stalled polyribosomes and RNA granules. PLoS Genet. 12, e1006192.

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