AnnNeurol︱陈万金/樊东升课题组揭示SerRS基因杂合突变导致腓骨肌萎缩症
编辑︱夏 叶
腓骨肌萎缩症（Charcot-Marie-Toothdisease，CMT）是最常见的遗传性周围神经病，其典型的临床特点主要表现为青少年期起病，缓慢进展的四肢远端的肌无力和萎缩伴或不伴感觉障碍[1]。已明确CMT致病基因多达百种，涉及编码髓鞘结构、轴突运输、细胞骨架等相关蛋白的基因。虽然已经克隆多种致病基因，但临床上仍然有30~40%的CMT患者未能得到基因确诊。并且多数已知基因在人体内不同组织广泛表达，其突变导致周围神经系统特异性损害机制仍然不明确[2-4]。
在对CMT机制研究发现，氨酰tRNA合成酶（Aminoacyl-tRNAsynthases，ARSs）家族在其中起了重要作用。迄今为止，至少6种ARSs杂合突变导致CMT，并且大多数突变位于ARSs的氨酰化功能域[5,6]。在CMT相关的ARSs突变中，氨基酰化活性的缺陷并不是共有的特性，这表明简单的氨基酰化功能的丧失并不是CMT发病的先决条件[7,8]。此外，在与ARSs相关的CMT动物模型中，过表达野生型ARSs并不能减轻周围神经系统病变，但等位基因特异性RNA干扰可改善神经系统病变，说明CMT相关的ARSs突变是通过显性负性效应致病[9]。那么，未确诊待的CMT患者中是否存在其他ARS基因的突变，以及ARS突变在CMT中发病机制中的作用仍不清楚。
近日，福建医科大学附属第一医院陈万金课题组、北京大学第三医院樊东升课题组与河南省人民医院合作在《神经病学年鉴》（Annalsof neurology）在线发表了题为“HeterozygousSeryl-tRNA synthetase 1 variants cause Charcot-Marie-Toothdisease”的研究论文，发现了一种新的氨酰tRNA合成酶——丝氨酸tRNA合成酶1（SerRs）为CMT新的致病基因，表明突变的SerRS蛋白会导致丝氨酸tRNA合成酶活性的降低以及二聚化异常，随后影响细胞总蛋白合成速率以及上调eIF2α磷酸化。（拓展阅读：樊东升团队最新研究成果，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Front Aging Neurosci︱樊东升团队聚焦NK细胞在帕金森病中的病理作用；Front Aging Neurosci 综述︱樊东升团队聚焦肌萎缩侧索硬化中外周与中枢免疫系统的交互作用）
基于前期福建医科大学附属第一医院与北京大学第三医院建立了规范的CMT临床注册登记队列（NCT04010188和NCT04967716）与基因检测流程。通过详细的临床资料分析，研究者发现3个常染色体显性遗传且已知基因阴性的CMT家系中共16个患者具有高度的临床表型一致性。利用家系连锁分析发现这3个CMT家系在1p13.3共享到同一个连锁区间。进一步按照遗传同质模型分析，联合三个家系进行连锁分析发现共同连锁区间为chr1:108681600-110300504 （combinedZmax LOD =6.9），并发现位于该区间内的SerRS基因在3个家系中都存在杂合突变，突变均位于高度保守的氨酰化功能域中，且在各自家系中均符合共分离现象（图1）。
图1. CMT家系中SerRS基因杂合突变的鉴定
（图源：Jin He et al., Ann Neurol, 2022）
SerRS作为氨酰tRNA合成酶的一种，由tRNA结合功能域、氨酰化功能域和UNE-S三个功能域组成，其主要作用是将氨基酸结合到其对应的tRNA上，参与机体蛋白合成[6]。值得注意的是，所有CMT相关的ARS突变都是通过二聚体的形式在体内发挥功能。研究者首先在患者来源的皮肤成纤维细胞及过表达突变蛋白的293T细胞中证明了SerRS基因杂合突变不影响蛋白本身表达。在焦磷酸释放实验中，研究者发现突变SerRS蛋白会导致氨酰化活性下降。而在293T细胞中过表达突变型与野生型SerRS蛋白，通过免疫共沉淀发现突变蛋白能结合更多的野生型蛋白。并且在随机光学重建显微镜（stochasticoptical reconstructionmicroscopy，STORM）成像中发现，患者来源成纤维细胞SerRS蛋白聚体体积较正常对照明显增大。以上结果表明：SerRS基因的杂合突变不会影响蛋白本身表达，但会降低丝氨酸tRNA合成酶的活性以及导致二聚化异常（图2）。
图2. 突变SerRS蛋白表达不受影响，但导致氨酰化活性降低及二聚化异常
（图源：Jin He et al., Ann Neurol, 2022）
SerRS负责将机体内tRNA氨酰化，继而参与蛋白合成起始阶段，其突变影响新生蛋白合成速率。研究者通过嘌呤霉素插入实验发现，患者来源的皮肤成纤维细胞总蛋白合成速率下降。而对于在293T中过表达的SerRS蛋白，研究者发现只有共转染野生型和突变型SerRS才能导致细胞总蛋白合成速率显著下降（图3）。
图3.突变SerRS蛋白会导致细胞总蛋白合成速率下降
（图源：Jin He et al., Ann Neurol, 2022）
在ARSs突变相关的小鼠与果蝇模型中发现，ARSs突变导致蛋白合成异常导致核糖体停滞，磷酸化eIF2α从而激活整合应激反应（Integratedstressresponse，ISR），进一步影响神经元翻译谱改变[10]。研究者首先在患者来源的皮肤成纤维细胞中证明了磷酸化eIF2α的上调。而在过表达突变蛋白的293T细胞中，研究者同样发现只有共转野生型和突变型才能导致磷酸化eIF2α的显著改变，并且在神经元细胞系N2a中验证了同样的现象。这些实验共同表明，突变的SerRS是通过显性负性效应参与CMT的发病过程（图4）。
图4.突变SerRS蛋白导致磷酸化eIF2α水平增加
（图源：JinHe etal.,AnnNeurol,2022）
综上所述，该研究基于3个常染色体显性遗传的CMT家系，通过家系连锁鉴定出新的CMT致病基因SerRS，并且发现杂合突变的SerRS基因会导致氨酰能力的降低以及蛋白二聚化的异常。此外，通过进一步对嘌呤霉素插入实验和eIF2α磷酸化水平的检测，发现SerRS的突变导致的CMT可能是经由显性负性效应介导。该研究不仅能为更多未确诊的CMT患者提供诊断依据和遗传咨询，并且进一步验证了蛋白合成与磷酸化eIF2α在CMT发病过程中的作用，为后续的发病机制及治疗靶点的探索奠定了基础。不足的是，该研究仅在细胞层面探索了相关的分子变化，后续仍需要动物实验等进一步验证研究结论并探索蛋白合成异常导致周围神经受损的机制。
通讯作者：陈万金（左）、樊东升（右）
（照片提供自：陈万金/樊东升团队）
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本文完