引言

亨廷顿疾病（Huntington’s disease, HD）是一种遗传性神经退行性疾病，由单个基因Huntingtin（HTT）缺陷导致，其特征是运动控制丧失以及认知能力和情绪稳定性的下降，常表现为不自主的舞蹈动作，因此又名亨廷顿舞蹈病【1】。该病遗传方式是显性遗传，HTT基因的一个特定区域（CAG重复区）会异常扩展，该片段编码一个长度可变的ployQ链。当这个polyQ链长度超过35个重复时，会导致蛋白质功能异常，进而损害脑细胞【2】。更长的polyQ链倾向于形成寡聚体（oligomers）、聚集体（aggregates）和包涵体（inclusion bodies），这些结构的形成被认为是导致神经毒性的源头【3】。关于HD发病机制还有另外一种假说，CAG重复序列可能通过RNA层面的毒性作用影响疾病的发展【4】。虽然已知突变型mHTT蛋白会产生聚集，但聚集与神经毒性之间的联系仍不清楚。

近日，来自美国斯坦福大学的Judith Frydman课题组在Nature Cell Biology上发表了研究论文Polyglutamine-mediated ribotoxicity disrupts proteostasis and stress responses in Huntington’s disease。在本研究中，作者探讨了HTT蛋白翻译和聚集的调控机制，发现了CAG扩展的突变体HTT蛋白通过核糖体毒性导致翻译过程中的过早终止，从而释放出易于聚集的mHTT蛋白，并进一步破坏细胞内蛋白质稳态和应激功能。这些发现不仅加深了科学家对HD发病机制的理解，也为其治疗提供了潜在的干预方案。

在人类和小鼠的HTT mRNA的5’非编码区中存在着一个保守的上游开放阅读框（uORF），uORF位于主要的ORF之前可以在mRNA被翻译成蛋白时起到调节作用。作者分析ribo-seq数据时发现uORF和主要的ORF都有核糖体启动，当用cycloheximide（CHX）处理阻断翻译的延长时，核糖体占据了uORF的整个区域，但没有延伸到主要的ORF区域，这表明uORF通过减少主要的ORF翻译启动抑制HTT基因在体内的翻译。而在thapsigargin（Tg）处理诱导应激反应的情况下，大部分mRNA翻译效率下降，但是HTT和另外一种同样含有uORF的Atf4基因在应激条件下却表现出mRNA翻译增强。这表明含有uORF的mRNA在不同情况下与众不同的翻译行为可能对HD的发病机制和疾病进展由重要影响。进一步分析发现uORF是通过调节翻译的起始来控制HTT蛋白的聚集，能够延迟包涵体的形成并减少倾向于聚集的mHTT片段的生成。此外，使用翻译起始抑制剂4EGI-1可以进一步减少这些神经毒性片段的产生，并在动物模型中改善症状。接下来，作者研究了polyQ序列对HD疾病发展的作用。他们利用一种病毒载体来表达、标记并检测细胞中HTT新生链，研究发现polyQ链的扩展增加了核糖体碰撞和过早终止的风险，从而导致了聚集倾向的mHTT片段的释放。在翻译具有更长polyQ链的mHTT蛋白时，会招募更多的翻译质量控制（ROC）和蛋白质量控制（PQC）因子，特别是蛋白酶体与清除mHTT相关的因子。与此相反的是翻译延伸因子eIF5A在翻译mHTT蛋白时的显著减少，其与mHTT的相互作用可能导致聚集并影响神经功能。同时，随着HD小鼠模型年龄的增长，eIF5A的变化与疾病的症状恶化相关联，表明核糖体碰撞和相关的泛素化降解可能是HD神经退行的关键因素。更加重要的是，作者还发现mHTT与eIF5A相互作用并阻隔其功能，改变了数百种mRNA上的翻译延伸，进而破坏了蛋白质稳态，这一过程形成了蛋白质稳态功能障碍的恶性循环，因此可能加剧了HD的症状。为了证实作者这一发现的可能性，研究人员随后探讨了HD中细胞如何响应由polyQ扩展引起的内质网应激和折叠错误蛋白质反应。研究发现，HD细胞在处理蛋白质折叠错误的应激时存在缺陷，这种应激反应引起了翻译启动因子eIF2a的磷酸化，以及由此诱发的整合应激反应。尤其是mHTT导致的eIF5A减少妨碍了保护性因子的有效翻译，通过补充eIF5A可以在一定程度上提高HD细胞在内质网应激下保护因子的表达。作者认为通过减少eIF5A的丢失或增加其活性可以作为治疗HD的潜在策略。最后，作者认为如果mHTT使细胞对应激反应更加敏感，那么HD细胞对增加核糖体碰撞的药物就会特别敏感，这些药物通过减慢翻译延伸来触发核糖体碰撞。然而，这些细胞对通过减慢翻译启动的药物反应较弱，因此降低翻译启动速率可以减少核糖体碰撞和过早终止。这些结果说明在HD细胞中，通过调节翻译启动与延伸的平衡，可以潜在的减轻病理状态下核糖体碰撞和相关的应激反应，这为HD治疗提供了可能的干预途径。 模式图（Credit: Nature Cell Biology）总的来说，这篇文章发现了降低mHTT水平和对抗其细胞毒性的靶点，CAG扩张会因核糖体碰撞而导致翻译终止，释放出具有神经毒性的mHTT片段，从而通过聚集隔绝eIF5A和其他蛋白质质量控制因子，导致神经元细胞蛋白质稳态障碍，抑制保护性应激反应的诱导。这些发现将有助于指导HD疾病治疗，提供了全新的干预策略。参考文献

1. Bates, G. P. et al. Huntington disease. Nat. Rev. Dis. Prim. 1, 15005 (2015).

2. Finkbeiner, S. Huntington’s disease. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 3, a007476 (2011).

3. Jimenez-Sanchez, M., Licitra, F., Underwood, B. R. & Rubinsztein, D. C. Huntington’s disease: mechanisms of pathogenesis and therapeutic strategies. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 7, a024240 (2017).

4. Nalavade, R., Griesche, N., Ryan, D. P., Hildebrand, S. & Krauß, S. Mechanisms of RNA-induced toxicity in CAG repeat disorders. Cell Death Dis. 4, e752 (2013).

https://doi.org/10.1038/s41556-024-01414-x

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArtMED”

End