Sci Adv︱潘永诚/金鹏/唐北沙合作建立神经元核内包涵体病首个转基因小鼠模型、揭示选择性剪接异常在NIID发病中的重要作用

撰文︱JP

责编︱王思珍，方以一

编辑︱夏  叶

人类基因组中约有150万个短串联重复位点，迄今为止已发现50余种由短串联重复序列（Short tandem repeats，STR）扩展超过正常范围引起的疾病，统称为多核苷酸重复扩展疾病（Repeats expansion disorders）。神经元核内包涵体病（Neuronal intranuclear inclusion disease，NIID）是一种以广泛存在于中枢、周围神经系统及外周组织细胞中核内嗜酸性包涵体为主要病理特征的遗传性神经退行性疾病[1]。NIID临床表现异质性大，主要表现为痴呆、肌无力等，还可见帕金森样症状、小脑共济失调、震颤等运动障碍以及发作性的意识障碍、感觉障碍等症状[2]。2019年，中国、日本不同研究团队独立报道NOTCH2NLC基因5’非编码区GGC重复异常扩展突变为NIID的致病变异[3-6]。该突变还与东亚人群原发性震颤等运动障碍疾病相关，然而在欧美人群中却很少见[7-8]。近年来，有不同学者提出NOTCH2NLC基因GGC重复异常扩展（简称GGC重复）通过GGC上游非经典AUG密码子翻译产生含多聚甘氨酸（polyglycine，polyG）的uN2CpolyG蛋白，产生细胞毒性参与NIID发病[9-11]。NIID的分子发病机理是研究者的关注热点。

近日，中南大学湘雅医院潘永诚、唐北沙与美国Emory大学金鹏共同通讯在Science Advances发表题为“Expression of expanded GGC repeats within NOTCH2NLC causes behavioral deficits and neurodegeneration in a mouse model of neuronal intranuclear inclusion disease”的原创性研究论著，该研究构建了国际上首个NIID转基因小鼠模型和NIID患者来源的IPS细胞、人神经祖细胞（hNPCs）模型，发现GGC重复编码产生polyG和多聚丙氨酸（polyalanine, polyA）等多种毒性蛋白共同参与NIID发病，阐明了不均一核糖核蛋白hnRNPM功能缺失引起异常选择性剪接引发NIID的分子机制。

多核苷酸重复扩展疾病中常常可见多核苷酸重复通过不同阅读框产生不同毒性蛋白，论文作者首先通过构建含98次GGC重复序列的NOTCH2NLC-(GGC)98三种不同翻译框的报告载体，表达于HEK293和Neuro2a细胞，发现NOTCH2NLC-(GGC)98通过非经典AUG起始翻译产生NOTCH2NLC-polyG（以下简称为polyG）；与此前几篇研究认为GGC重复只编码产生polyG蛋白不同的是，作者还发现NOTCH2NLC-(GGC)98可能也通过非经典AUG依赖的方式，编码产生了NOTCH2NLC-polyA蛋白（以下简称为polyA）。作者又通过特异性抗NOTCH2NLC-polyG和NOTCH2NLC-polyA抗体检测和蛋白质谱等方式证实确实产生了polyG和polyA蛋白。作者进一步比较了polyG和polyA蛋白的特性，发现polyG蛋白倾向于形成聚集物，而polyA蛋白可溶性更大；polyA蛋白与部分polyG蛋白存在同一细胞内。并且polyG和polyA均呈泛素和P62阳性，与患者体内核内包涵体呈泛素和P62阳性一致。这些蛋白在细胞内形成广泛的核内和核周聚集物，对原代培养的小鼠皮层神经元以及Neuro2a细胞都造成一定的毒性（图1）。

图1 NOTCH2NLC-(GGC)₉₈ 的表达会产生多种多肽并造成细胞毒性

（图源：Liu Q, et al., Sci Adv, 2022）

NOTCH2NLC基因是人类特有基因，在小鼠体内无同源基因，为进一步在体内研究该突变的致病机制，作者在小鼠Rosa26位点插入NOTCH2NLC-(GGC)98，建立了条件性转基因小鼠模型。与体外过表达不同的是，作者发现全身性转基因小鼠大脑中除了表达polyG和polyA蛋白外，还产生了多聚精氨酸（polyR）蛋白，在皮层、纹状体、小脑、海马及其他脑区形成广泛的核内聚集物。同时，作者发现这些蛋白存在时空特异性分布的特点，例如蛋白聚集物最先分布在纹状体、海马和皮层等脑区，逐渐累积到其他脑区；如腓肠肌中只检测到polyG和polyR聚集物等。作者进一步分析了全身性转基因小鼠的病理和行为表现，发现该小鼠模型存在神经元丢失、胶质增生、运动障碍和认知功能障碍等表型，精准模拟了NIID相关的临床和病理特征（图2）。

图2 NOTCH2NLC-(GGC)₉₈ 转基因小鼠表现出神经退行、行为学缺陷等多种NIID相关表型

（图源：Liu Q, et al., Sci Adv, 2022）

为解析NIID的分子发病机制，作者同时建立了NIID患者来源的IPS细胞并分化成神经祖细胞hNPCs，并对hNPCs细胞模型和转基因小鼠的小脑、皮层和海马组织进行了转录组学分析，通过比较发现了NIID小鼠模型和hNPCs模型之间存在保守的异常选择性剪接事件，利用CLIP-seq数据分析发现不均一核糖核蛋白hnRNPM结合基序的富集。免疫共沉淀发现hnRNPM与polyG和polyA蛋白相互作用增强，免疫染色发现hnRNPM共定位在polyG和polyA聚集体中可能影响了其剪接调控功能。进一步地，在原代培养的神经元和Neuro2a细胞中过表达hnRNPM可改善过表达NOTCH2NLC-(GGC)98造成的细胞毒性等表型（图3），提示hnRNPM的剪接调控功能异常引发的异常选择性剪接可能在NIID的分子发病机制中发挥重要作用，也为NIID的治疗提供了潜在的靶点。

图3 在NOTCH2NLC-(GGC)₉₈ 鼠和hNPCs中常见选择性剪接失调

（图源：Liu Q, et al., Sci Adv, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上，该研究解决了领域内一个重大需求，即开发了一种全新的稳定遗传、表达可控、能够精准模拟患者表型的动物模型；同时，作者通过细致的研究工作，从选择性剪接这一全新的视角解析了神经元核内包涵体病（NIID）的发病机制。该研究也激发了新的问题的研究，例如，PolyG、polyA和polyR蛋白的毒性在NIID发生发展中的贡献分别是什么样的？提高hnRNPM表达量是否可以作为NIID的治疗策略，仍有待进一步探索。期待研究者们在相关领域有更多的进展。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add6391 

中南大学湘雅医院神经内科刘琼、张凯琳和美国Emory大学医学院Yunhee Kang为本文共同第一作者；中南大学湘雅医院神经内科潘永诚、唐北沙和美国Emory大学医学院金鹏为本文共同通讯作者。该研究工作得到了中国国家自然科学基金委和美国国立卫生研究院的资助。

唐北沙教授课题组诚邀从事神经退行性疾病基础研究方向的博士后及科研助理加盟，有意者请发送简历至电子邮箱[e-mail]或[e-mail]。

---

欢迎扫码加入逻辑神经科学 文献学习2

群备注格式：姓名-单位-研究领域-学位/职称/称号/职位往期文章精选学术会议预告【1】会议预告︱神经技术连接音乐与大脑会议即将启幕，欢迎聆听优质科研培训课程推荐【1】膜片钳与光遗传及钙成像技术研讨会（2023年1月7-8日 腾讯会议）【2】第十届近红外训练营（线上：2022.11.30~12.20）【3】第九届脑电数据分析启航班（训练营：2022.11.23—12.24）欢迎加入“逻辑神经科学”【1】“ 逻辑神经科学 ”诚聘副主编/编辑/运营岗位 ( 在线办公)【2】人才招聘︱“ 逻辑神经科学 ”诚聘文章解读/撰写岗位 ( 网络兼职, 在线办公)

参考文献（上下滑动阅读）

1.     Sone J, et al. Clinicopathological features of adult-onset neuronal intranuclear inclusion disease. Brain 139, 3170-3186 (2016).

2.     Tian Y, et al. Clinical features of NOTCH2NLC-related neuronal intranuclear inclusion disease. J Neurol Neurosurg Psychiatry 93, 1289-1298 (2022).

3.     Tian Y, et al. Expansion of Human-Specific GGC Repeat in Neuronal Intranuclear Inclusion Disease-Related Disorders. Am J Hum Genet 105, 166-176 (2019).

4.     Ishiura H, et al. Noncoding CGG repeat expansions in neuronal intranuclear inclusion disease, oculopharyngodistal myopathy and an overlapping disease. Nat Genet 51, 1222-1232 (2019).

5.     Sone J, et al. Long-read sequencing identifies GGC repeat expansions in NOTCH2NLC associated with neuronal intranuclear inclusion disease. Nat Genet 51, 1215-1221 (2019).

6.     Deng J, et al. Long-read sequencing identified repeat expansions in the 5'UTR of the NOTCH2NLC gene from Chinese patients with neuronal intranuclear inclusion disease. Journal of medical genetics 56, 758-764 (2019).

7.     Sun QY, et al. Expansion of GGC repeat in the human-specific NOTCH2NLC gene is associated with essential tremor. Brain 143, 222-233 (2020).

8.     Yau WY, et al. Low Prevalence of NOTCH2NLC GGC Repeat Expansion in White Patients with Movement Disorders. Mov Disord 36, 251-255 (2021).

9.     Boivin M, et al. Translation of GGC repeat expansions into a toxic polyglycine protein in NIID defines a novel class of human genetic disorders: the polyG diseases. Neuron,  (2021).

10.   Zhong S, et al. Upstream open reading frame with NOTCH2NLC GGC expansion generates polyglycine aggregates and disrupts nucleocytoplasmic transport: implications for polyglycine diseases. Acta Neuropathol 142, 1003-1023 (2021).

11.    Yu J, et al. CGG repeat expansion in NOTCH2NLC causes mitochondrial dysfunction and progressive neurodegeneration in Drosophila model. Proc Natl Acad Sci U S A 119, e2208649119 (2022).

本文完