近日，中科院神经科学研究所徐进课题组以“重新激活无义介导的mRNA降解通路可有效对抗C9orf72双肽重复序列的神经毒性”为题，在期刊Brain（IF=10.8）发表了一篇关于肌萎缩侧索硬化症的最新研究。在这项研究中，安诺基因承担转录组测序工作。

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种严重的神经退行性疾病，目前没有有效的治疗方法。在我国通常将肌萎缩侧索硬化症与运动神经元病混用，俗称渐冻人症。一旦确诊，患者多在3-5年内去世，著名的物理学家霍金就曾遭受此疾病的困扰。目前对这种疾病有效的干预治疗的研究情况是什么样的呢？小编带大家一看究竟吧~

研究亮点

研究发现C9orf72六核苷酸重复扩增（HRE）的双肽重复序列（DpR）对无义介导的mRNA降解通路（NMD）有抑制作用。NMD是细胞中清除有害、错误RNA产物的一种监测及防御机制，NMD的抑制可能是由于表达富含精氨酸的DpR的细胞中p-body（processing bodies）的减少所致。研究人员在细胞和果蝇模型中证明，通过遗传和药理方法重新激活NMD通路可以阻碍C9orf72富含精氨酸的DpR诱导的神经毒性，最后确定了曲尼司特（tranilast）为NMD激活药物。

研究思路

研究结果

1. C9orf72患者中NMD的抑制

为了评估C9orf72 HRE 患者的NMD途径是否受到干扰，将不同C9orf72 ALS相关来源的已发表的转录组数据与来自具有NMD缺陷的人细胞的转录组数据进行无偏生物信息学分析，发现在C9orf72 ALS小脑组织和NMD缺陷的人细胞之间存在大量重叠的基因。通过GO分析发现，在这些重叠的基因中，应激反应和免疫系统相关基因显著富集，同时对各个比较组的重叠基因进行深入分析，发现NMD调控的mRNA积累是一种与C9orf72产物特异相关的效应。


图1 C9orf72 ALS与具有NMD缺陷的细胞转录组数据分析

2. 富含精氨酸的C9orf72双肽重复序列抑制NMD

研究人员利用果蝇模型，通过RNA-seq分析来评估C9orf72 HRE产物在体内是否会影响NMD的正常表达。作者研究了HRE和含有36个重复序列的脯氨酸-精氨酸双肽（pR36）对果蝇NMD基因表达的影响。将表达HRE36或pR36的5日龄果蝇的脑转录组数据与由UpF1缺失引起NMD通路缺陷的果蝇转录组数据进行了比较分析发现，这两组中由于NMD被抑制而导致底物基因积累，其中36%的基因相同。结果表明，C9orf72富含精氨酸DpR的表达可能导致果蝇NMD的抑制。之后，研究人员在人神经母细胞瘤细胞系（SH-SY5Y）和小鼠脑中进行了验证。


图2 C9orf72富含精氨酸DpR的表达导致果蝇NMD的抑制

3. C9orf72双肽重复序列通过减少p-body丰度而抑制NMD

研究人员用免疫荧光标记技术对p-body和应激颗粒进行研究，发现在表达富含精氨酸的DpR细胞中应激颗粒的增加可能导致p-body的减少，即C9orf72富含精氨酸的DpR可通过减少p-body的丰度而抑制NMD。


图3 GFp-GR36表达细胞p-body减少导致NMD抑制
注：GR36：甘氨酸精氨酸36个重复序列；GFp-GR36：毒性比未加标签的GR36低，但毒性与pR36相当。

4. 激活NMD通路可以阻碍双肽重复序列的毒性

UpF1是启动NMD的关键蛋白，研究发现在人SH-SY5Y细胞中UpF1的表达可以有效地防止HRE36引起的细胞凋亡；在果蝇模型中UpF1能逆转4种NMD底物的积累，并能有效地挽救pR36引起的运动神经元和轴突投射的丢失。通过在人和果蝇实验中的研究表明，通过增加NMD通路中核心蛋白的表达可恢复NMD的活性，从而阻碍富含精氨酸的DpR引起的神经毒性。


图4 UpF1完全阻断GFp-GR36对SH-SY5Y细胞的毒性作用

此外，研究人员研究了四种化合物（tranilast, nifulumic acid, febuxostat and nitazoxanide），在人SH-SY5Y细胞中，研究发现曲尼司特可有效地重新激活NMD活性，有效地抑制GFp-GR36或HRE36诱导的细胞凋亡。在果蝇实验中，经曲尼司特处理后，果蝇蛹数显著增加，成体存活率和运动功能显著增强。因此，曲尼司特可解除C9orf72 DpR对人细胞和果蝇的神经毒性。

结论

该项研究揭示了导致肌萎缩性侧索硬化症的新机制，证实了激活无义介导的mRNA降解通路可以作为治疗ALS的新策略，发现了一种现用于治疗哮喘的药物有可能成为治疗ALS的新药。

文章科普

无义介导的mRNA降解通路（nonsense-mediated mRNA decay，NMD）：一种广泛存在于真核细胞中的mRNA质量监控机制，该机制能识别并降解含有提前终止密码子的转录产物以防止毒性蛋白的产生。 C9orf72基因突变：导致肌萎缩侧索硬化症的最主要的突变形式，该突变由GGGGCC长重复序列插入C9orf72基因的内含子中造成。 HRE（hexanucleotide repeat expansion）：六核苷酸重复扩增（GGGGCC）。 DpR（dipeptide repeat）：双肽重复序列。 p-body（processing bodies）：NMD机制中的关键成分，它是一种无膜的核糖核蛋白颗粒，富含蛋白质，参与RNA的降解。 曲尼司特（tranilast）：抗变态反应药，可用于支气管哮喘及过敏性鼻炎的预防性治疗。 UpF1：NMD通路激活所必需的保守的基本调控蛋白，可促进核酸内切酶和核酸外切酶对mRNA的切割。 应激颗粒（stress granules）：一种核糖核蛋白颗粒，在应对细胞内环境变化时起着重要的作用。 pR36（proline-arginine dipeptide with 36 repeats）：脯氨酸-精氨酸双肽36个重复序列。 GR36（glycine-arginine dipeptide with 36 repeats）：甘氨酸-精氨酸双肽36个重复序列。 GFp-GR36：用GFp（绿色萤光蛋白）标记的GR36，它的毒性比未标记的GR36低，但毒性与pR36相当。

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参考文献

Xu Wangchao, Bao puhua, Jiang Xin, et al. Reactivation of nonsense-mediated mRNA decay protects against C9orf72 dipeptide-repeat neurotoxicity[J]. Brain, 2019, 142: 1349-1364.