JCB丨方燕姗课题组发现调控神经轴突退化新机制——FBXO21介导轴突关键蛋白NMNAT2的泛素化和降解

在神经损伤后，受损轴突远离胞体的一侧发生渐进性串珠化、碎片化改变，进而崩解并被神经胶质细胞和巨噬细胞清除的这一病理过程被称为沃勒变性【1】。烟酰胺单核苷酸腺苷酸转移酶2 (nicotinamide mononucleotide adenylyl transferase 2, NMNAT2) 蛋白是合成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+) 所必需的关键酶，对于维持轴突完整性发挥关键作用，在神经损伤后快速耗竭，引起NAD+的水平下降，从而导致沃勒变性的发生【2】。但在神经元中调控NMNAT2蛋白快速降解的具体机制至今尚不完全清晰。

近日，中国科学院上海有机化学研究所方燕姗研究员团队在 Journal of Cell Biology 期刊在线发表了题为 SCFFBXO21-mediated ubiquitination and degradation of NMNAT2 regulates axon survival in nerve injury 的研究论文，鉴定出FBXO21是介导神经元中NMNAT2泛素化和降解的特异性F-box蛋白和调控轴突退化的关键因子。在小鼠背根神经节神经元中敲低Fbxo21引起NMNAT2蛋白水平升高，并显著延缓损伤引起的沃勒变性，从而实现了对神经轴突的保护作用。

领域里一直认为在神经损伤后NMNAT2会在轴突中加速降解，并由此推测NMNAT2在胞体和轴突中可能存在不同的调控机制。但是该团队通过时间动态分析证明了NMNAT2蛋白在神经元胞体和轴突中、以及在损伤前后的降解速率基本相当，提示NMNAT2的降解具有相同的调控机制，而受损轴突中NMNAT2的快速耗竭主要由于缺少了胞体来源的新生NMNAT2蛋白。重要的是，无论是在胞体还是轴突、无论是完好还是受损的轴突，FBXO21对NMNAT2蛋白稳定性以及轴突完整性均发挥着重要调控作用。

利用变性免疫沉淀和体外泛素化实验，研究团队揭示了FBXO21可与SKP1、CUL1和RBX1形成SCFFBXO21 E3泛素连接酶复合物介导NMNAT2的泛素化。结构功能分析表明，FBXO21的F-box 结构域不仅在 SCFFBXO21 泛素连接酶复合物的组装中发挥重要作用，也介导了该复合物对底物 NMNAT2 的识别与结合。通过质谱分析，该研究团队进一步鉴定出NMNAT2蛋白 的ISTID结构域 (isoform-specific targeting and interaction domain) 中的赖氨酸155 (K155) 是SCFFBXO21的主要泛素化位点，该位点的泛素化缺陷突变K155R显著延长NMNAT2半衰期并具有更强的轴突保护作用。有趣的是，将NMNAT1或NMNAT3亚型中的ISTID域替换为NMNAT2的ISTID导致原本非常稳定的前两者蛋白快速降解，而在其中引入K155R突变则可消除此效应。这些发现说明NMNAT2的超短半衰期在进化上依赖于ISTID中的K155泛素化，揭示了NMNAT2独特的蛋白不稳定性的分子结构基础。

最后，该团队构建了Fbxo21敲除小鼠并发现NMNAT2蛋白水平在该小鼠的神经组织中特异性升高。进而利用小鼠坐骨神经损伤模型，证实了Fbxo21敲除可以在体内明显延缓受损神经轴突的退化。综上，该研究揭示了FBXO21是调控NMNAT2稳定性的关键因子，为轴突退化机制提供了新见解（图1）。此外，SCF复合物中的其它组分如SKP1、CUL1和RBX1因广泛参与其它蛋白的降解不具备靶向性，而该研究鉴定出了SCF复合物中决定NMNAT2底物特异性的F-box蛋白FBXO21，这一发现为靶向NMNAT2治疗神经损伤和神经退化疾病提供了可能的靶点和干预策略。

中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗研究员为该论文通讯作者，博士研究生龙文静为第一作者，交叉中心张在荣研究员和张耀阳研究员以及暨南大学李昂副研究员参与了以上工作。

https://doi.org/10.1083/jcb.202501072

制版人：十一

参考文献

1. Waller, A. (1851). Experiments on the Section of the Glosso-Pharyngeal and Hypoglossal Nerves of the Frog, and Observations of the Alterations Produced Thereby in the Structure of Their Primitive Fibres.Edinb Med Surg J76, 369-376.

2. Gilley, J., and Coleman, M.P. (2010). Endogenous Nmnat2 is an essential survival factor for maintenance of healthy axons.PLoS Biol8, e1000300.

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