清华-IDG/麦戈文脑研究院贾怡昌在一个全新的渐冻症小鼠模型上首次提供了应激颗粒错误加工致病的体内证据

发布日期:2020-05-01

202051日,一篇题为“在FUS基因突变敲入的渐冻症小鼠模型上揭示了应激颗粒错误加工致病的体内证据”的文章在线发表于世界知名神经疾病杂志《脑》上。来自清华大学医学院,清华-IDG/麦戈文脑研究院和清华北大生命联合中心的贾怡昌研究团队报道了他们最新的渐冻症致病机制的研究。

肌萎缩侧索硬化症 (Amyotrophic lateral sclerosisALS),在中国又称渐冻症,是一种致死性的神经退行性疾病。在美国目前大约至少有16000例患者(http://www.alsa.org/) ,而在中国估计有6.5-10万患者。ALS主要导致脑和脊髓中支配肌肉的运动神经元渐进性损伤和死亡,因此随着疾病的发展,病人的行走,说话,吞咽甚至是呼吸都日渐困难。在确诊之后大多数病人只能存活2-5年。由于对疾病的致病机制知之甚少,目前还没有有效的治疗措施。

2006年,宾夕法尼亚大学的Dr. Virginia Lee首次在ALS和额颞叶痴呆症(Frontotemporal dementiaFTD)中报道了TDP-43的病理学特征 (Neumann et al., 2006)。随后的研究发现, TDP-43FUS基因上的突变与家族性和散发性的ALS密切相关 (Cruz and Cleveland, 2011),而这两个基因编码的是在结构和功能上非常类似的两个RNA结合蛋白。在病人的脊髓和大脑TDP-43FUS的病理学特征主要表现为错误的亚细胞定位和泛素化阳性增加 (Dormann and Haass, 2011)。除了在Dr. Virginia Lee报道的ALSFTD病人中有这样的病理学特征,在其他神经退行性疾病中,例如阿尔茨海默病,帕金森疾病,亨廷顿舞蹈症等病人中,也发现相似的TDP-43FUS的病理学特征,提示这些RNA结合蛋白的功能异常可能是导致这类疾病共同致病因素。然而,对于这些RNA结合蛋白是如何致病,业内的科学家还知之甚少。

TDP-43FUS基因上找到与ALS相关的突变之后,研究者们开始通过转基因的方式在小鼠上模拟ALS疾病的发生发展,然而这种转基因的方式会导致ALS相关的蛋白在动物体内过量表达。而事实上,ALS病人只携带一个点突变而不是这些疾病相关的RNA结合蛋白过量表达。因此,张雪等研究者首先建立了一个只携带ALS点突变的小鼠模型来更好模拟ALS疾病发生发展。但是携带ALS点突变的小鼠模型并没有出现与病人类似瘫痪和寿命减短的症状,提示疾病的发生可能还需要第二次打击(注:美国拉斯科奖得主Dr. Alfred G. Knudson1971年曾提出肿瘤发生的“二次打击”学说)。

越来越多的证据发现TDP-43FUS以及其他具有低复杂性结构域的RNA结合蛋白参与到应激颗粒代谢过程中。应激颗粒(stress granule)是一个RNA和蛋白质的复合物,当细胞受到外界压力刺激时形成,用以暂停细胞质中mRNA的翻译过程,当外界压力解除后,应激颗粒会迅速解聚以恢复细胞正常的生理功能。之前文献报道突变的TDP-43FUS蛋白影响应激颗粒的加工过程 (Aulas and Velde, 2015)然而,在ALS疾病的运动神经元合理表达水平的突变RNA结合蛋白是否以及如何影响应激颗粒的代谢目前还是未知。然而,张雪等创建的全新的小鼠模型只携带一个ALS的点突变,为回答这一问题提供了有力的工具。利用这个ALS模型小鼠,张雪等发现当体外培养的运动神经元受到氧化应激压力后,与野生型FUS蛋白相比,突变的FUS蛋白更容易进入到应激颗粒中并影响应激颗粒的解聚过程(图1)。更重要的是,他们用亚砷酸盐增加小鼠的氧化应激压力后,发现突变小鼠表现出与ALS病人类似的FUS病理学特征和更为严重的运动障碍。张雪等的工作首次为环境因素和遗传突变的双重打击导致ALS疾病发生的假说提供了有力的支持性实验证据。

1. 体外培养的运动神经元中,突变的FUS蛋白更容易进入TIA1阳性的应激颗粒,影响其解聚。TIA1,应激颗粒的标记蛋白。

C/+,杂合突变;C/C,纯和突变。AS,亚砷酸盐处理所施加的氧化应激;AS+1hr,解除亚砷酸盐处理。白色箭头指示TIA1阳性的应激颗粒。

虽然应激颗粒的错误加工被认为可能是ALS的致病因素,但是没有证据证明应激颗粒是否会出现在ALS疾病的大脑中,以及其错误加工是否致病。为了解决这个问题,张雪等研究者面临着众多前所未有的挑战:1.如何在大脑中诱导应激压力和应激颗粒的产生;2.怎样标记和追踪脑内形成的应激颗粒;3.怎样去分析和重构这些体内的应激颗粒信号。在克服了这些困难之后,张雪等首次对活体小鼠运动皮层应激颗粒加工过程进行了数周可视化追踪。他们观察到与正常小鼠相比,突变小鼠运动皮层中应激颗粒呈现加工异常,主要表现为应激颗粒的数目多,体积大,更加致密(视频1)。此外,他们还记录到具有严重应激颗粒加工障碍的突变神经元更容易在脑内消失(视频1)。综上,张雪等的工作不但为ALS疾病研究提供了更为合理的疾病模型,同时首次在活体小鼠脑内追踪应激颗粒加工过程,并提供了体内证据首次证实应激颗粒的错误加工是ALS致病的重要因素,他们的成果将为未来ALS疾病的致病机制和转化医学的研究提供理论依据和评价手段。

视频1. ALS突变小鼠脑内应激颗粒加工异常促进神经元消失。TIA1-EGFP的荧光信号用以标记和持续观察脑内同一神经元的应激颗粒。

Pretreatment氧化应激处理前;2…96hrs,氧化应激处理后小时。C/C,纯和突变小鼠。在处理三星期后(3ws),有突变的TIA1-EGFP阳性神经元消失。

博士研究生张雪是这项工作的第一作者,同时来自北京生命科学研究所的王凤超博士和上海科技大学的管吉松教授和实验室博士研究生胡易在建立小鼠模型和双光子成像上提供了帮助。这项工作得到了清华大学医学院,清华—北大生命联合中心,清华-IDG/麦戈文脑科学研究院,中国自然科学基金(NSFC)以及美国渐冻人协会(ALSA)的支持。

参考文献:

Aulas, A., and Velde, C.V. (2015). Alterations in stress granule dynamics driven by TDP-43 and FUS: a link to pathological inclusions in ALS? Frontiers in Cellular Neuroscience 9, 423-423.

Cruz, S.D., and Cleveland, D.W. (2011). Understanding the role of TDP-43 and FUS/TLS in ALS and beyond. Current Opinion in Neurobiology 21, 904-919.

Dormann, D., and Haass, C. (2011). TDP-43 and FUS: a nuclear affair. Trends in neurosciences 34, 339-348.

Neumann, M., Sampathu, D.M., Kwong, L.K., Truax, A.C., Micsenyi, M.C., Chou, T.T., Bruce, J., Schuck, T., Grossman, M., and Clark, C.M. (2006). Ubiquitinated TDP-43 in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Science 314, 130-133.

 

原文链接:https://academic.oup.com/brain/advance-article-abstract/doi/10.1093/brain/awaa076/5827862?redirectedFrom=fulltext