腓骨肌萎縮癥（Charcot-Marie-Tooth neuropathies，CMT）是一組臨床上常見的周圍神經(jīng)遺傳病，發(fā)病率約為1/2500。根據(jù)致病基因的不同， CMT可分為幾十種不同的亞型。就CMT患者總數(shù)而言，在全國(guó)范圍內(nèi)是一個(gè)非常龐大的數(shù)字，然而具體到某些亞型的患者數(shù)量卻非常稀少，因此CMT被收錄到國(guó)家《第一批罕見病名錄》。長(zhǎng)久以來令人困惑的是，這幾十種CMT致病蛋白在細(xì)胞中的定位和生理功能各異，似乎沒有任何明顯的共性，然而這些突變蛋白卻會(huì)導(dǎo)致CMT患者表現(xiàn)出非常相似的臨床癥狀。這個(gè)被稱之為“疾病遺傳異質(zhì)性”的謎團(tuán)長(zhǎng)期以來一直困擾著廣大神經(jīng)科學(xué)家和臨床工作者。

有沒有可能不同的致病蛋白最后通過一個(gè)“殊途同歸”的共同機(jī)制引發(fā)相似癥狀？

2023年2月3日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院白戈課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李勁松院士課題組在《Cell》雜志以封面文章在線發(fā)表了題為“Diverse CMT2 Neuropathies are Linked to Aberrant G3BP Interactions in Stress Granules”的研究論文。該工作發(fā)現(xiàn)雖然在正常生理狀態(tài)下不同CMT致病蛋白在細(xì)胞中的定位各異，但在應(yīng)激狀態(tài)下這些CMT致病蛋白會(huì)表現(xiàn)出相同的細(xì)胞定位，進(jìn)入應(yīng)激顆粒中（細(xì)胞內(nèi)一種介導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)的無膜細(xì)胞器）并與其核心蛋白G3BP發(fā)生異?；プ鳎饝?yīng)激顆粒異常，使得周圍神經(jīng)應(yīng)對(duì)環(huán)境不良刺激的能力下降，從而導(dǎo)致周圍神經(jīng)病的發(fā)生。該工作揭示了應(yīng)激顆粒異常是介導(dǎo)不同亞型CMT的共同致病機(jī)制，為針對(duì)多亞型CMT的廣譜治療藥物的開發(fā)提供了重要理論基礎(chǔ)，也為其他疾病遺傳異質(zhì)性的機(jī)制研究提供了新的思路。

Cell封面故事

當(dāng)村寨（運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，MN）面臨猛獸來襲時(shí)（環(huán)境應(yīng)激），村民（各種蛋白、RNA分子等）從四面八方趕來，唯村長(zhǎng)（G3BP蛋白）馬首是瞻，迅速集結(jié)成隊(duì)伍（應(yīng)激顆粒）以應(yīng)對(duì)危機(jī)。此時(shí)，有一黑衣人（CMT致病蛋白）也混入人群，趁亂襲擊了村長(zhǎng)，破壞了村寨的防御體系，導(dǎo)致危機(jī)加劇。封面設(shè)計(jì)靈感來源于宋代名畫《清明上河圖》，裝裱部分取材于“現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)之父”圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）所繪制的脊髓圖譜中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元所在區(qū)域。

在過去幾十年的研究中，領(lǐng)域內(nèi)逐漸形成了一個(gè)共識(shí)：大多數(shù)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生都是遺傳因子和環(huán)境應(yīng)激因子共同作用的結(jié)果。當(dāng)細(xì)胞面臨各種不良環(huán)境刺激時(shí)（如營(yíng)養(yǎng)缺乏、高溫、輻射等），細(xì)胞內(nèi)一個(gè)重要的應(yīng)激機(jī)制就是形成應(yīng)激顆粒（Stress granule，SG）。

SG是細(xì)胞內(nèi)由RNA、蛋白翻譯復(fù)合物和各種信號(hào)分子通過液-液相分離（liquid-liquid phase separation）組裝形成的一種無膜細(xì)胞器。在應(yīng)激狀態(tài)下，SG的形成可以避免蛋白的錯(cuò)誤翻譯，有效地組織利用細(xì)胞中各種信號(hào)分子和能量資源，使細(xì)胞更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境中的不良刺激，提高細(xì)胞存活率。當(dāng)環(huán)境壓力解除后，細(xì)胞內(nèi)的 SG 發(fā)生解聚，翻譯復(fù)合物和各種信號(hào)分子迅速恢復(fù)功能，幫助細(xì)胞恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中的應(yīng)激顆粒

在應(yīng)激情況下，原本彌散分布在細(xì)胞質(zhì)中的G3BP蛋白迅速組裝形成應(yīng)激顆粒（如箭頭所示綠色顆粒狀結(jié)構(gòu)），與此同時(shí)CMT2D致病蛋白GlyRS也被招募至其中（如箭頭所示紅色顆粒狀結(jié)構(gòu)）。藍(lán)色部分為DAPI標(biāo)記的細(xì)胞核。

在此項(xiàng)研究中，崔琴琴等研究人員首先以導(dǎo)致CMT2D亞型的甘氨酰tRNA合成酶（Glycyl-tRNA synthetase，GlyRS）突變蛋白為切入點(diǎn)展開研究。當(dāng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元面臨不良環(huán)境刺激時(shí)，原本定位在細(xì)胞質(zhì)中的GlyRS突變蛋白會(huì)進(jìn)入新形成的SG中，并與SG中的核心蛋白G3BP發(fā)生異常相互作用（圖2）。

研究人員通過活細(xì)胞熒光成像、鄰近標(biāo)記、定量蛋白質(zhì)譜、STORM超分辨成像等技術(shù)發(fā)現(xiàn)，GlyRS突變蛋白與G3BP的異常相互作用不會(huì)影響SG組裝-解聚的動(dòng)態(tài)變化，卻會(huì)顯著干擾以G3BP為核心的SG蛋白網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致大量非SG組分異常滯留在SG中，從而擾亂了細(xì)胞正常的應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元抵御外界不良環(huán)境刺激的能力明顯下降，更易發(fā)生軸突退變（圖3）。

研究人員還進(jìn)一步鑒定出了GlyRS突變蛋白與G3BP的結(jié)合位點(diǎn)位于其“內(nèi)在無序區(qū)”（Intrinsically disordered region, IDR），通過破壞二者的異常結(jié)合，能夠消除GlyRS突變蛋白對(duì)SG的干擾，改善運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元抵抗不良環(huán)境刺激的能力，有效緩解CMT2D小鼠模型的疾病癥狀（圖3）。

不同CMT2蛋白的共性致病機(jī)制

最后，研究人員還發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他CMT2亞型。通過對(duì)20幾種不同類型CMT2致病蛋白進(jìn)行測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)這些原本定位在細(xì)胞內(nèi)不同部位的蛋白質(zhì)，在應(yīng)激條件下大部分都可以進(jìn)入SG并且與G3BP發(fā)生異常相互作用，引起SG異常，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元應(yīng)對(duì)環(huán)境不良刺激的能力下降。這些發(fā)現(xiàn)表明應(yīng)激顆粒異常很可能是介導(dǎo)不同亞型CMT的共性致病機(jī)制（圖3）。

白戈課題組部分研究人員合影

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院/教育部腦與腦機(jī)融合前沿科學(xué)中心白戈研究員與中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李勁松院士為本文的共同通訊作者。博士后崔琴琴、畢洪運(yùn)、呂占云，博士生武琪貴、華劍鋒、谷博凱為本文共同第一作者，博士后霍嬋娟、唐明敏等也為本研究做出重要貢獻(xiàn)。本研究還得到了劉華清、楊培國(guó)、金志剛、吳志英、章永登、沈承勇、盛能印等教授的大力支持，并得到了段樹民院士、胡海嵐、景乃禾、李黨生、唐北沙、張宏、楊兵、蔣超、張軻、孫啟明、彭廣敦、郭天南、張如旭、劉聰、陳萬(wàn)金、趙國(guó)華、Sam Pfaff（Salk Institute）、Xiang-Lei Yang（TSRI）等教授的指導(dǎo)和幫助。

該研究主要受國(guó)家自然科學(xué)基金委“原創(chuàng)探索計(jì)劃”、“器官衰老與器官退行性變化的機(jī)制”重大研究計(jì)劃、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.046

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