應激顆粒（黃色）像太陽系的星星一樣環(huán)繞在細胞核（藍色）周圍。（課題組供圖）

生命的活力有賴于健全的防御機制，小小的細胞也是一樣。防御機制一旦出現(xiàn)差錯，細胞就會變得脆弱甚至導致疾病。浙江大學醫(yī)學院腦科學與腦醫(yī)學學院白戈課題組與中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心李勁松院士課題組合作研究發(fā)現(xiàn)導致應激顆粒異常的一種關鍵分子機制：參與應激顆粒形成的核心蛋白被致病蛋白“綁架”，應激顆粒的組分發(fā)生改變，其抗壓功能嚴重受損。

該項研究還進一步揭示了應激顆粒異常是導致多種不同亞型腓骨肌萎縮癥的共性機制，為針對這類神經(jīng)罕見病的廣譜治療藥物開發(fā)提供了理論基礎，也為其他神經(jīng)退行性疾病的機制研究提供了新的思路。相關研究成果2月3日以封面論文的形式在線發(fā)表于《細胞》雜志。

論文審稿人評價該論文的發(fā)現(xiàn)重要而新穎，將改變這個領域的思維方式。

應激顆粒的作用不容小覷

細胞的一生常常會面臨各種應激（stress），當危險來臨，細胞會暫停胞漿內的蛋白翻譯，將未翻譯的mRNA和部分蛋白“打包壓縮”成一個個小顆粒保護起來。

這些尺寸在0.1-2微米左右的球狀小液滴被稱為應激顆粒（SG），它們象太陽系的行星一樣環(huán)繞在細胞核周圍。此時細胞會將大量的“人員”轉移到安全的地方。待到危機解除，應激顆粒則會發(fā)生“解壓縮”而功成身退，幫助細胞恢復正常運轉。

“應激顆粒可以有效地避免應激狀態(tài)下蛋白的錯誤翻譯，有效地組織利用細胞中的各種信號分子和能量資源，使細胞更好地應對環(huán)境中的不良刺激，提高細胞存活率?！蓖ㄓ嵶髡咧话赘杲榻B，作為細胞內一個重要的防御機制，應激顆粒的作用不容小覷。

研究表明，疾病蛋白在應激顆粒中聚集并產(chǎn)生蛋白沉淀是導致漸凍癥(ALS)、阿爾茲海默癥（AD）等多種神經(jīng)退行性疾病的一個重要機制。

白戈平時關注一類名為腓骨肌萎縮癥的遺傳性周圍神經(jīng)病?；颊咄ǔ那嗌倌觌A段開始發(fā)病，表現(xiàn)為四肢遠端進行性肌無力和肌萎縮并伴有感覺障礙。“包括腓骨肌萎縮癥在內的一部分神經(jīng)系統(tǒng)疾病中并沒有發(fā)現(xiàn)病理性蛋白沉淀?！边@讓白戈感到疑惑：“這些細胞的應激顆粒是否也存在異常呢？”

之前發(fā)表的一項研究為白戈提供了重要線索，相關功能性研究表明，當細胞內敲除 G3BP后，面臨不良環(huán)境刺激時細胞無法形成應激顆粒，增加了細胞的死亡率。

“綁架”核心蛋白

在正常情況下，G3BP蛋白均勻分布于細胞質中，而在應激情況下，G3BP蛋白“臨危受命”，作為核心組分組裝應激顆粒形成，眾多蛋白和RNA與之“抱團”，形成一個復雜的蛋白-RNA交互網(wǎng)。在顯微鏡下，可以看到細胞內部的物質發(fā)生了“液-液相分離”現(xiàn)象，星星點點的蛋白“抱團”成液滴樣的應激顆粒。

“當致病蛋白出現(xiàn)在這張網(wǎng)絡中，應激顆粒會產(chǎn)生什么變化？”白戈說，他們以2D型腓骨肌萎縮癥（CMT2D）中的突變蛋白GlyRS為切入點，去探索應激顆粒內部網(wǎng)絡的變化。

通過實驗，白戈課題組發(fā)現(xiàn)，在應激狀態(tài)下，野生型和突變型GlyRS蛋白都能夠進入應激顆粒中；但只有突變型GlyRS蛋白能夠與G3BP發(fā)生異常的相互作用，擾亂了以G3BP為中心的應激顆粒網(wǎng)絡。進一步研究顯示，突變的GlyRS蛋白導致了應激顆粒網(wǎng)絡互作強度的增加，形成了結構更為致密的顆粒。

“GlyRS突變蛋白與G3BP的異常相互作用不會影響應激顆粒組裝-解聚的動態(tài)變化，卻會顯著干擾以G3BP為核心的應激顆粒蛋白網(wǎng)絡，導致大量非應激顆粒組分異常滯留在應激顆粒中，從而擾亂了細胞正常的應激反應。”白戈說，應激顆粒受損會導致運動神經(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。

研究人員指出，遺傳突變會導致GlyRS蛋白質構象發(fā)生改變，開放出新的結構域，使其獲得了異常的蛋白結合活性。這個開放結構域的存在，導致突變后的GlyRS蛋白更容易和G3BP發(fā)生異常結合，導致顆粒更加致密。在腓骨肌萎縮癥小鼠模型中，破壞這種異常的相互作用可以挽救應激顆粒異常并緩解小鼠的運動缺陷。

發(fā)現(xiàn)“隱蔽”共性機制

白戈課題組的研究揭示了腓骨肌萎縮癥中，一個基因突變如何引起應激顆粒的功能受損，進而導致疾病發(fā)生的分子機制。這是一個極為“隱蔽”的機制。因為表面上看，這些受損的應激顆粒組裝-解聚的動態(tài)過程沒有異常，也不產(chǎn)生病理性的蛋白沉淀。病變機制隱藏在核心蛋白的網(wǎng)絡結構中。遺傳突變導致突變蛋白與應激顆粒核心蛋白形成了異常相互作用，應激顆粒的組分發(fā)生改變并形成致密的顆粒，最終導致了細胞抗壓機制的失靈。

作為臨床上常見的周圍神經(jīng)遺傳病，腓骨肌萎縮癥的發(fā)病率約為1/2500，根據(jù)致病基因的不同，CMT可以分為幾十種不同的亞型，目前僅CMT2就有30個以上不同的致病基因。也就是說，腓骨肌萎縮癥幾十種不同的亞型，其致病基因各不相同，卻能導致相似的臨床表現(xiàn)，醫(yī)學上這一現(xiàn)象被稱為“遺傳異質性”。

由于這些不同的致病蛋白在細胞中的定位和功能各異，因此為相關治療藥物的開發(fā)帶來了極大挑戰(zhàn)，如果科學家能從中找到共性的發(fā)病機制就有可能實現(xiàn)利用一種藥物對多種亞型的CMT進行治療。

在這項研究中，研究人員對25種腓骨肌萎縮癥相關突變蛋白進行了考察，研究發(fā)現(xiàn)，在受到環(huán)境壓力的情況下，14種突變蛋白會被招募到應激顆粒中，其中有12種蛋白與G3BP的相互作用發(fā)生了改變，導致應激顆粒的功能受損。

“在環(huán)境刺激下進入應激顆粒，可能是不同突變蛋白存在的一個共性特征?！闭撐牡谝蛔髡咧淮耷偾僬f，“突變蛋白進入應激顆粒后可能以多種方式影響應激顆粒的功能?！边@種共性機制為針對多亞型CMT的廣譜治療藥物開發(fā)提供了重要的理論基礎。

該研究主要受國家自然科學基金委“原創(chuàng)探索計劃”、“器官衰老與器官退行性變化的機制”重大研究計劃、科技創(chuàng)新2030重大項目等資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.046

來源：中國科學報