PNAS：邓健文/王朝霞/袁云团队揭示神经元核内包涵体病的新机制
寡核苷酸重复序列扩增与50多种神经肌肉和神经系统变性病有关。这些疾病的发病机制与核苷酸重复单元、重复扩增数目、重复序列组成、所在基因及所在基因的部位均密切相关。神经元核内包涵体病（neuronal intranuclear inclusion disease, NIID）是一种以中枢、周围神经、肌肉，以及其他多器官组织出现细胞核内嗜酸性包涵体为主要病理特征的疾病。该病于1968年首次报道，直至2019年才发现该病的致病变异为NOTCH2NLC基因的CGG重复扩增【1-4】。随着基因诊断的普及，NIID的确诊病例逐渐增多，其临床表现的异质性也得到许多报道。除了发作性/进展性脑病、周围神经病和自主神经病为主要表现的经典型NIID外，少部分NIID患者可以表现为特发性震颤、阿尔兹海默病、帕金森综合征、“渐冻症”、以及眼咽远端肌病等【5】。近年来，两个独立研究团队均证实NOTCH2NLC基因CGG重复扩增通过上游开放阅读框（upstream open reading frame, uORF）翻译产生多聚甘氨酸（polyglycine，polyG）毒性蛋白uN2CpolyG，参与NIID的致病过程【6-7】。然而目前，关于NOTCH2NLC基因（CGG）n的翻译产物uN2CpolyG的致病机制尚不明确。
2022年10月3日，北京大学第一医院神经内科邓健文/王朝霞/袁云团队在PNAS发表了题为 CGG repeat expansion in NOTCH2NLC causes mitochondrial dysfunction and progressive neurodegeneration in Drosophila model 的研究论文，首次构建了NIID转基因果蝇模型，阐明了uN2CpolyG毒性蛋白介导线粒体功能障碍和神经变性的分子机制，并为该疾病提供潜在的治疗靶点。
果蝇（Drosophila melanogaster）是经典的模式动物，生命科学史上许多重要分子都是首先在果蝇中发现并明确功能，该动物也是神经系统遗传病研究最常用的动物模型之一。为了模拟NIID多系统受累的特点，该团队利用UAS/GAL4系统，构建了特定组织或全身多组织器官表达uN2CpolyG蛋白的转基因果蝇模型。研究发现，表达uN2CpolyG蛋白的果蝇模型可复制出NIID的主要病理特征—神经元核内包涵体形成、进行性神经元细胞丢失；以及运动障碍和寿命缩短等疾病表型。同时课题组发现，转基因果蝇模型和NIID患者的肌肉样本在电镜下均观察到线粒体体积增大，并且在NIID患者肌肉组织、脑组织和NIID细胞模型中一致地发现uN2CpolyG蛋白可定位于线粒体外膜和膜间隙中。结合前期质谱鉴定结果以及免疫共沉淀实验显示uN2CpolyG与线粒体RNA结合蛋白LRPPRC相互作用，二者相互作用可能导致LRPPRC在包涵体中聚集和功能缺失，从而导致线粒体功能障碍。为验证以上推测，该研究在uN2CpolyG转基因果蝇中过表达Bsf（人类LRPPRC的同源基因），结果显示可以显著改善神经元细胞丢失现象，提示NIID中存在LRPPRC的功能缺失。进一步，RNA-seq和功能检测均表明转基因果蝇模型和NIID患者样本中存在线粒体氧化磷酸化功能障碍，主要表现为线粒体复合物I编码基因表达下调。与对照组果蝇相比，表达uN2CpolyG毒性蛋白的果蝇模型线粒体呼吸能力显著降低，线粒体复合物I的呼吸功能改变尤为显著。此外，该研究检测发现uN2CpolyG果蝇模型的线粒体ATP合成水平与对照组相比显著降低。这些结果均表明线粒体复合物I可能参与了NIID的关键致病过程。
基于上述研究发现线粒体是uN2CpolyG毒性蛋白的作用靶点之一，而艾地苯醌（Idebenone，IDB）可激活线粒体呼吸活性，促进ATP产生增加。该研究进一步对NIID转基因果蝇模型和细胞模型给予IDB处理。研究发现，IDB可减轻线粒体氧化磷酸化障碍，改善NIID转基因果蝇模型的神经退行性表型。
总之，本研究构建了NIID（uN2CpolyG）转基因果蝇模型，发现uN2CpolyG毒性蛋白介导线粒体功能障碍和神经变性的分子机制，并为该疾病提供潜在的治疗线索。
北京大学第一医院神经内科王朝霞教授和邓健文研究员为本文的共同通信作者。北京大学第一医院博士研究生于佳希是本文第一作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2208649119
参考文献