PNAS丨孔二艳/张中健团队揭示GFAP棕榈酰化修饰在神经退行性疾病中的致病机制
早发性神经退行性疾病INCL是隐形遗传的人类疾病，其病理特征是神经细胞大量死亡导致大脑退行性病变。其发病进程迅速，患者在两岁左右发生视神经退化导致失明，四岁左右进入植物人状态，寿命一般不超过14岁。INCL的致病原因是去棕榈酰化酶PPT1发生自然突变导致该蛋白的功能性缺失，其直接结果是细胞内相关蛋白（PPT1潜在底物）棕榈酰化水平升高而引起其蛋白功能的改变，目前临床上仍缺乏有效的治疗方案。
近日，新乡医学院-精神神经医学研究院孔二艳/张中健团队、梁银明团队和徐州医科大学高剑教授合作在PNAS在线发表了题为“GFAP hyper-palmitoylation exacerbates astrogliosis and neurodegenerative pathology in PPT1-deficient mice”的研究论文。该研究发现星形胶质细胞中骨架蛋白GFAP 的超棕榈酰化修饰促进了星形胶质细胞的增殖；PPT1作为去棕榈酰化酶，调控着GFAP的去棕榈酰化修饰过程，因此，在PPT1功能缺失鼠（PPT1-KI）中，GFAP棕榈酰化修饰水平急剧升高，这导致了星形胶质细胞的活化和增殖，可能加重了神经退行性疾病的病理进程。需要提及的是，Ppt1基因在人类中的自然突变（功能失活）导致了早发性神经退行性疾病（INCL），本研究成果将为INCL等神经退行性疾病的诊断和治疗提供新思路和新的药物靶点。
在中枢神经系统中，GFAP在星形胶质细胞（astrocyte）中特异表达，属于第三类中间丝蛋白，因此通常被用来作为星形胶质细胞的标志物。值得强调的是，胶质细胞的活化是多种神经系统疾病（神经退行性疾病，脑卒中或脑外伤等）的共同病理特征。研究指出星型胶质细胞的活化具有三个显著特点：GFAP表达量的上调，星型胶质细胞的大量增殖和细胞形态的肥大。然而，GFAP棕榈酰化修饰在星型胶质细胞活化过程中的功能和潜在分子机制尚无报道。
本研究以GFAP棕榈酰化修饰为切入点，发现GFAP棕榈酰化修饰水平的改变调控了星形胶质细胞的增殖速率。细胞学功能筛选实验发现PPT1能有效下调GFAP的棕榈酰化修饰水平，当PPT1功能缺失或敲除后，GFAP的棕榈酰化修饰水平急剧升高并导致胶质细胞增殖的加速。由于动态的蛋白棕榈酰化修饰仅发生在半胱氨酸残基（Cysteine）上，进一步的研究发现GFAP中第291位Cysteine是其特异的棕榈酰化修饰位点。据此，研究人员假设PPT1失活后，GFAP棕榈酰化水平上升，导致胶质细胞增殖速率加快并活化胶质细胞，胶质细胞的活化可能促进了神经退行性疾病的病理进程。
因此，作者在PPT1-KI鼠的基础上构建GFAP棕榈酰化突变（GFAP-C291A）小鼠（PPT1-KI/GFAP-C291A）以验证以下逻辑：在PPT1-KI/GFAP-C291A小鼠中，PPT1失活，而GFAP-C291A棕榈酰化水平并不能被上调，因此胶质细胞的增殖和活化都将被抑制，因此可能保护或延缓神经退行性疾病的病理进程。果然，PPT1-KI/GFAP-C291A小鼠中其胶质细胞活化现象被有效抑制，同时其退行性病理进程被显著延缓，小鼠的行为学和寿命都明显改善。这一发现意味着GFAP超棕榈酰化修饰是INCL神经退行性疾病的关键致病机制，抑制GFAP超棕榈酰化修饰有益于该疾病的治疗。
综上所述，GFAP棕榈酰化修饰是调控星型胶质细胞增殖的分子开关，当PPT1失活或敲除后，GFAP作为PPT1的底物，其棕榈酰化修饰水平被上调，促进了星型胶质细胞的增殖和活化；阻断GFAP棕榈酰化修饰（GFAP-C291A）能有效抑制星型胶质细胞的增殖和活化，更重要的是，其大脑中神经元的退行性病变也得到了缓解。据悉，文章的审稿人和编辑都高度评价了该研究的发现，他们认为该研究结果可能为相关神经退行性疾病的诊疗提供新的突破方向。
新乡医学院-精神神经医学研究院硕士研究生袁伟为该论文第一作者，梁银明课题组的卢燎勋博士和张中健教授为并列第一作者。新乡医学院-精神神经医学研究院孔二艳研究员和徐州医科大学高剑教授为共同通讯作者。
文章链接：
https://www.pnas.org/content/118/13/e2022261118
附孔二艳课题组简介和招聘启示
孔二艳课题组主要利用基因敲除和敲入小鼠以解析蛋白棕榈酰化修饰在生命活动中的生理功能及其在潜在疾病中的致病机制。经过4年的发展，实验室搭建了从分子、细胞、电生理到行为学等多层次的技术体系，初步建成了一支具有较强技术特色和执行力的科研团队。孔二艳研究员在NIH和Medical University of Vienna完成博士后训练，回国后入职新乡医学院-精神神经医学研究院，课题组已在PNAS、Neuropsychopharmacology和JBC等杂志上发表多篇研究论文，开辟了蛋白棕榈酰化修饰与神经系统疾病和恶性肿瘤等领域的科研方向。该实验室持续招聘优秀青年研究员和骨干技术人员，欢迎具有（但不限于）神经电生理或肿瘤科研经验的青年朋友们加盟 (ey kong@xxmu.edu )。
文章链接：
https://www.pnas.org/content/118/13/e2022261118