應(yīng)激顆粒（黃色）像太陽系的星星一樣環(huán)繞在細(xì)胞核（藍(lán)色）周圍。（課題組供圖）

生命的活力有賴于健全的防御機(jī)制，小小的細(xì)胞也是一樣。防御機(jī)制一旦出現(xiàn)差錯，細(xì)胞就會變得脆弱甚至導(dǎo)致疾病。浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院白戈課題組與中國科學(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合作研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致應(yīng)激顆粒異常的一種關(guān)鍵分子機(jī)制：參與應(yīng)激顆粒形成的核心蛋白被致病蛋白“綁架”，應(yīng)激顆粒的組分發(fā)生改變，其抗壓功能嚴(yán)重受損。

該項研究還進(jìn)一步揭示了應(yīng)激顆粒異常是導(dǎo)致多種不同亞型腓骨肌萎縮癥的共性機(jī)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(chǔ)，也為其他神經(jīng)退行性疾病的機(jī)制研究提供了新的思路。相關(guān)研究成果2月3日以封面論文的形式在線發(fā)表于《細(xì)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(lǐng)域的思維方式。

應(yīng)激顆粒的作用不容小覷

細(xì)胞的一生常常會面臨各種應(yīng)激（stress），當(dāng)危險來臨，細(xì)胞會暫停胞漿內(nèi)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(hù)起來。

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

“應(yīng)激顆?？梢杂行У乇苊鈶?yīng)激狀態(tài)下蛋白的錯誤翻譯，有效地組織利用細(xì)胞中的各種信號分子和能量資源，使細(xì)胞更好地應(yīng)對環(huán)境中的不良刺激，提高細(xì)胞存活率。”通訊作者之一白戈介紹，作為細(xì)胞內(nèi)一個重要的防御機(jī)制，應(yīng)激顆粒的作用不容小覷。

研究表明，疾病蛋白在應(yīng)激顆粒中聚集并產(chǎn)生蛋白沉淀是導(dǎo)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(jī)制。

白戈平時關(guān)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(yuǎn)端進(jìn)行性肌無力和肌萎縮并伴有感覺障礙?！鞍韫羌∥s癥在內(nèi)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(xì)胞的應(yīng)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(guān)功能性研究表明，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)敲除 G3BP后，面臨不良環(huán)境刺激時細(xì)胞無法形成應(yīng)激顆粒，增加了細(xì)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(xì)胞質(zhì)中，而在應(yīng)激情況下，G3BP蛋白“臨危受命”，作為核心組分組裝應(yīng)激顆粒形成，眾多蛋白和RNA與之“抱團(tuán)”，形成一個復(fù)雜的蛋白-RNA交互網(wǎng)。在顯微鏡下，可以看到細(xì)胞內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生了“液-液相分離”現(xiàn)象，星星點點的蛋白“抱團(tuán)”成液滴樣的應(yīng)激顆粒。

“當(dāng)致病蛋白出現(xiàn)在這張網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)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(yīng)激顆粒內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的變化。

通過實驗，白戈課題組發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)激狀態(tài)下，野生型和突變型GlyRS蛋白都能夠進(jìn)入應(yīng)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(yīng)激顆粒網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步研究顯示，突變的GlyRS蛋白導(dǎo)致了應(yīng)激顆粒網(wǎng)絡(luò)互作強(qiáng)度的增加，形成了結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)激顆粒蛋白網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致大量非應(yīng)激顆粒組分異常滯留在應(yīng)激顆粒中，從而擾亂了細(xì)胞正常的應(yīng)激反應(yīng)?！卑赘暾f，應(yīng)激顆粒受損會導(dǎo)致運(yùn)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(dǎo)致GlyRS蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，開放出新的結(jié)構(gòu)域，使其獲得了異常的蛋白結(jié)合活性。這個開放結(jié)構(gòu)域的存在，導(dǎo)致突變后的GlyRS蛋白更容易和G3BP發(fā)生異常結(jié)合，導(dǎo)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(yīng)激顆粒異常并緩解小鼠的運(yùn)動缺陷。

發(fā)現(xiàn)“隱蔽”共性機(jī)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?nèi)绾我饝?yīng)激顆粒的功能受損，進(jìn)而導(dǎo)致疾病發(fā)生的分子機(jī)制。這是一個極為“隱蔽”的機(jī)制。因為表面上看，這些受損的應(yīng)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(jī)制隱藏在核心蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。遺傳突變導(dǎo)致突變蛋白與應(yīng)激顆粒核心蛋白形成了異常相互作用，應(yīng)激顆粒的組分發(fā)生改變并形成致密的顆粒，最終導(dǎo)致了細(xì)胞抗壓機(jī)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(dǎo)致相似的臨床表現(xiàn)，醫(yī)學(xué)上這一現(xiàn)象被稱為“遺傳異質(zhì)性”。

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

在這項研究中，研究人員對25種腓骨肌萎縮癥相關(guān)突變蛋白進(jìn)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(yīng)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(dǎo)致應(yīng)激顆粒的功能受損。

“在環(huán)境刺激下進(jìn)入應(yīng)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(jìn)入應(yīng)激顆粒后可能以多種方式影響應(yīng)激顆粒的功能。”這種共性機(jī)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(chǔ)。

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

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.046

來源：中國科學(xué)報