孙疏影团队揭示RNA解螺旋酶DDX3X调节C9ORF72翻译的机制

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寡核苷酸重复序列扩增与40多种神经肌肉和神经退行性疾病相关。这些疾病的病理机制与重复扩增的核苷酸序列、扩增数目、重复序列所在基因及所在基因的部位均相关【1】。肌萎缩脊髓侧索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis, ALS），是一种表现为上、下运动神经元进行性退变，并最终发展为致死性瘫痪的疾病。目前，越来越多的研究认为ALS与另一种表现为言语障碍及行为异常的神经退行性疾病——前额颞叶痴呆（Frontotemporal dementia, FTD）在临床表现、病理机制及基因遗传上有很多关联【2】。C9ORF72基因非编码区的六核苷酸GGGGCC重复序列异常扩增被认为是导致遗传性ALS及FTD的重要致病基因【3,4】。(GGGGCC)n重复序列相关的非AUG介导翻译（Repeat Associated Non-AUG translation，RAN 翻译）由于能在所有阅读框进行翻译产生聚甘氨酸-丙氨酸（poly Glycine-Alanine，GA）、聚甘氨酸-脯氨酸（poly Glycine-Proline，GP）和聚甘氨酸-精氨酸（poly Glycine-Argine，GR）这三种具有神经毒性的二肽重复蛋白（Dipeptide repeat proteins，DPRs），被认为是C9ORF72基因突变介导的ALS/FTD的重要致病机制之一【5】。探索能降低DPRs水平的方法将会对治疗C9ORF72-ALS/FTD患者具有重要意义。然而目前，对于C9ORF72 (GGGGCC)n RAN翻译产物DPRs的调控机制所知甚少。

2019年10月3日，美国约翰霍普金斯大学神经病理系孙疏影团队（共同第一作者为程维维和王少朋博士）在Neuron发表了题为 CRISPR-Cas9 Screens Identify the RNA Helicase DDX3X as a Repressor of C9ORF72 (GGGGCC)n Repeat-Associated Non-AUG Translation 的研究论文，发现了RNA解螺旋酶DDX3X可调控C9ORF72 (GGGGCC)n 的RAN翻译产物及其分子机制。

该研究通过CRISPR-Cas9人全基因组敲除筛选发现了众多可影响C9ORF72 (GGGGCC)n RAN翻译产物的基因，这些基因多与RNA的出核转运、蛋白翻译及蛋白酶体介导的蛋白降解等功能相关。研究人员明确了(GGGGCC)n RNA分子是由NXT1-NXF1通路从胞核转运至胞浆进行蛋白翻译；并发现了DDX3X蛋白，一种RNA解螺旋酶，可与 (GGGGCC)n RNA分子特异性结合，影响RNA二级结构，从而进一步抑制C9ORF72 (GGGGCC)n RAN翻译的发生，减少毒性DPRs（poly-GA，poly-GP和poly-GR）的产生；而且这一调控机制依赖于DDX3X蛋白的解螺旋酶活性。

研究人员发现敲除DDX3X蛋白可特异性加强C9ORF72 (GGGGCC)n果蝇模型中(GGGGCC)n重复序列扩增对果蝇眼盘表型的毒性，且可通过过表达果蝇的DDX3X同源蛋白Bel对其挽救。DDX3X敲除还可显著增加C9ORF72-ALS/FTD患者淋巴母细胞及诱导多能干细胞iPSCs多聚甘氨酸-脯氨酸（poly-GP）DPR的水平。而当在分化的神经元细胞（iPS-Neuron）中过表达DDX3X蛋白时，poly-GP水平下降。该研究还发现DDX3X蛋白可逆转 C9ORF72 (GGGGCC)n重复序列异常扩增对神经元细胞核转运功能的损伤，并增加神经元细胞对谷氨酸毒性的耐受。

综上，本研究揭露了DDX3X作为一种RNA解螺旋酶是C9ORF72 (GGGGCC)n RAN翻译的重要调控蛋白，并提示可以DDX3X为治疗靶点延缓C9ORF72-ALS/FTD患者的神经元死亡。该研究还证实了CRISPR-Cas9文库筛选技术在神经退行性疾病机制研究中的重要意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.09.003

参考文献

1. H. Paulson, Repeat expansion diseases. Handb Clin Neurol 147, 105-123 (2018).

2. S. C. Ling, M. Polymenidou, D. W. Cleveland, Converging mechanisms in ALS and FTD: disrupted RNA and protein homeostasis. Neuron 79, 416-438 (2013).

3. M. DeJesus-Hernandez et al., Expanded GGGGCC hexanucleotide repeat in noncoding region of C9ORF72 causes chromosome 9p-linked FTD and ALS. Neuron 72, 245-256 (2011).

4. A. E. Renton et al., A hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 is the cause of chromosome 9p21-linked ALS-FTD. Neuron 72, 257-268 (2011).

5. B. D. Freibaum, J. P. Taylor, The Role of Dipeptide Repeats in C9ORF72-Related ALS-FTD. Front Mol Neurosci 10, 35 (2017).