神經(jīng)退行性疾病中的TDP-43蛋白為什么這么火？

　　最近幾年,越來(lái)越多的神經(jīng)退行性疾病,如肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)、額顳葉變性(FTLD)和阿爾茨海默病(AD)等,被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)共同的病理特征,即TDP-43蛋白(TAR DNA binding protein-43,TAR DNA 結(jié)合蛋白43)在細(xì)胞核中的耗竭和TDP-43蛋白通過(guò)過(guò)度磷酸化、泛素化和裂解后在細(xì)胞質(zhì)中的積累。TDP-43蛋白在細(xì)胞質(zhì)中的沉積會(huì)破壞核孔復(fù)合物和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,導(dǎo)致核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)障礙。TDP-43是一種全身分布的生理性蛋白質(zhì),病理狀態(tài)下構(gòu)成ALS泛素陽(yáng)性/Tau 蛋白陰性的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)包涵體主要成分,故將此類以病理性TDP-43蛋白沉積為主的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病稱為單純TDP-43病。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)病理性TDP-43蛋白還見(jiàn)于正常衰老腦及其他神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病如阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)等患者腦,且病程早期即累及杏仁核,為與單純TDP-43病相區(qū)別,將合并病理性TDP-43蛋白沉積的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病稱為復(fù)合TDP-43病。科睿唯安2022年度生理醫(yī)學(xué)領(lǐng)域“引文桂冠獎(jiǎng)(Citation Laureates)”被授予Masato Hasegawa和Virginia Man-Yee Lee,獲獎(jiǎng)原因是他們發(fā)現(xiàn)TDP-43是ALS和FTLD的新的病理學(xué)標(biāo)志,以及TDP-43對(duì)神經(jīng)退行性疾病研究的其他貢獻(xiàn)。因“引文桂冠獎(jiǎng)”一直是諾貝爾獎(jiǎng)的風(fēng)向標(biāo),TDP-43也由此成為神經(jīng)退行性疾病領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。2020年以來(lái)國(guó)家自然科學(xué)基金資助的TDP-43相關(guān)領(lǐng)域的研究有十余項(xiàng),包括兩個(gè)重大研究計(jì)劃。由于TDP-43的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜,本文僅簡(jiǎn)要介紹TDP-43的結(jié)構(gòu)、主要生理功能、可能的發(fā)病機(jī)制以及TDP-43如何參與常見(jiàn)的兩種神經(jīng)退行性疾病ALS和AD的發(fā)展。

　　TDP-43蛋白(TAR DNA binding protein-43)

　　TDP-43是由位于1號(hào)染色體上TARDBP基因編碼的43kD蛋白質(zhì),由一個(gè)N端結(jié)構(gòu)域、兩個(gè)RNA識(shí)別模體(RNA recognition motif,RRM)、一段核定位信號(hào)(nuclear location signal,NLS)序列、一段核輸出信號(hào)(nuclear export signal,NES)序列以及一個(gè)C端結(jié)構(gòu)域所構(gòu)成。N端結(jié)構(gòu)域與TDP-43自身相互作用有關(guān);RRM調(diào)節(jié)與RNA和單鏈DNA的相互作用,參與RNA的剪接抑制等過(guò)程;NLS和NES則調(diào)控TDP-43進(jìn)出細(xì)胞核;C端結(jié)構(gòu)域具有朊蛋白樣和液-液相分離(liquid-liquid phase separation,LLPS)特性,后者與TDP-43病理性聚集有關(guān)。生理狀態(tài)下TDP-43主要位于核內(nèi),與多種DNA、RNA代謝蛋白相互作用,參與調(diào)控RNA和DNA代謝,如剪接抑制、自身調(diào)控等;發(fā)生應(yīng)激時(shí),TDP-43參與形成應(yīng)激顆粒(stress granule,SG),調(diào)控細(xì)胞質(zhì)內(nèi)RNA代謝。

　　TDP-43蛋白的結(jié)構(gòu)。TDP-43蛋白含有414個(gè)氨基酸,由帶有核定位信號(hào)(NLS)的N端結(jié)構(gòu)域、兩個(gè)RNA識(shí)別基序(RRM1和RRM2)、一個(gè)核輸出信號(hào)(NES)和一個(gè)具有富含谷氨酰胺/天冬酰胺(Q/N)和富含甘氨酸區(qū)域的C端結(jié)構(gòu)域組成。線粒體定位基序(M1;M3;M5)也很明顯。致病性突變主要位于C末端區(qū)域,其包含富甘氨酸區(qū)(GRR)并可表現(xiàn)出朊病毒樣特性(PrLD)。

　　TDP-43的發(fā)病機(jī)制包括功能獲得理論和功能喪失理論。根據(jù)功能獲得理論,TARDBP的過(guò)度表達(dá)或突變以及TDP-43的錯(cuò)誤定位可誘導(dǎo)毒性,導(dǎo)致神經(jīng)元損傷和軸突損傷。神經(jīng)病理學(xué)的特征是細(xì)胞質(zhì)TDP-43包涵體的形成,伴隨著細(xì)胞核中正常TDP-43的耗竭和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的進(jìn)行性退化,包括突觸減少、異常軸突腫脹和非神經(jīng)元組織的退行性變。TDP-43的毒性與細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中TDP-43含量的增加呈正相關(guān),并表現(xiàn)出劑量依賴性和年齡依賴性。功能喪失理論認(rèn)為,TDP-43基因的正常表達(dá)在神經(jīng)元樹(shù)突發(fā)育中起著重要作用,基因缺失或突變后,神經(jīng)元樹(shù)突發(fā)育受損。TDP-43的過(guò)度表達(dá)有效地挽救了果蠅同源基因TBPH缺乏引起的表型,這也支持功能喪失理論。因此,功能的獲得和喪失都可能改善或加重TDP-43蛋白病患者的表型。目前尚不清楚TDP-43蛋白病的病因是否與TDP-43的功能障礙有關(guān),以及TDP-43蛋白質(zhì)功能的獲得或喪失是否是潛在的致病機(jī)制。

　　TDP-43參與細(xì)胞的正常生理活動(dòng)。TDP-43參與RNA代謝的調(diào)節(jié),包括轉(zhuǎn)錄抑制、編碼RNA的選擇性剪接以及非編碼RNA(miRNA)通過(guò)直接或間接作用調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和基因降解。TDP-43在蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)和線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用,可以去除異常蛋白質(zhì)和受損線粒體,維持正常細(xì)胞功能。TDP-43可以多種方式在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)。

　　肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)是一種嚴(yán)重的神經(jīng)退行性疾病,其特征是由于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的缺失而導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙。ALS有兩種主要類型:散發(fā)性ALS(sALS)作為最常見(jiàn)的ALS形式存在于90-95%的患者中,家族性ALS僅占患者的5-10%。TDP-43基因的突變主要與fALS相關(guān)。95%以上的ALS患者可觀察到TDP-43病理性異常。細(xì)胞核中TDP-43的耗竭以及細(xì)胞質(zhì)中過(guò)度磷酸化、泛素化和裂解的TDP-43聚集是肌萎縮性側(cè)索硬化的病理標(biāo)志。ALS患者的TDP-43病理分布是分為5個(gè)階段。第1階段分布于無(wú)顆粒運(yùn)動(dòng)皮層、腦干運(yùn)動(dòng)核(顱神經(jīng)XII-X、VII、V)和脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元;第2階段是前額葉新皮質(zhì)(額葉中回)、腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、小腦前核和紅核;第3階段在前額葉(直回和眶回)、中央后新皮質(zhì)和基底神經(jīng)節(jié)(紋狀體);第4階段在顳葉、海馬(內(nèi)嗅皮質(zhì)、下托)的前內(nèi)側(cè)部分;第5階段位于腦干運(yùn)動(dòng)核(動(dòng)眼神經(jīng)核)、黑質(zhì)、下橄欖核、小腦齒狀核。TDP-43在運(yùn)動(dòng)和額葉皮層中的頻繁錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致皮層過(guò)度興奮和興奮性神經(jīng)遞質(zhì)減少,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知缺陷。TDP-43的發(fā)病機(jī)制與ALS相關(guān)基因的突變有關(guān)。在ALS患者中,TDP-43通過(guò)突觸轉(zhuǎn)運(yùn)從皮層擴(kuò)散到大腦和脊髓的其他區(qū)域。與ALS相關(guān)的突變導(dǎo)致軸突運(yùn)輸紊亂,并形成TDP-43蛋白病理。TDP-43的核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)障礙,最終會(huì)干擾其自身調(diào)節(jié)。少突膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MCT1)向神經(jīng)元提供能量。TDP-43沉積干擾神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的活性,最終導(dǎo)致神經(jīng)元丟失。TDP-43蛋白可能通過(guò)核功能缺失(loss of function)或胞質(zhì)毒性功能介導(dǎo)細(xì)胞損傷,其參與ALS發(fā)病的病理過(guò)程主要包括線粒體損傷、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulumstress,ER stress)、SG動(dòng)力學(xué)改變和細(xì)胞降解途徑異常等。

　　TDP-43在ALS中的部分病理機(jī)制。細(xì)胞質(zhì)TDP-43通過(guò)引發(fā)線粒體損傷、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、參與應(yīng)激顆粒動(dòng)力學(xué)改變和作用于細(xì)胞降解途徑等機(jī)制參與ALS的病理過(guò)程。TDP-43可進(jìn)入線粒體,損害線粒體復(fù)合物及其氧化磷酸化功能,并導(dǎo)致線粒體分裂/融合動(dòng)力學(xué)和轉(zhuǎn)運(yùn)異常。TDP-43引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激并介導(dǎo)細(xì)胞死亡。TDP-43聚集物的形成與應(yīng)激下應(yīng)激顆粒(SG)生成動(dòng)力學(xué)有關(guān),應(yīng)激中SG可募集并保護(hù)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)TDP-43,防止病理性聚集物的形成,SG異常解體可致TDP-43聚集。泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)、自噬和內(nèi)體-溶酶體途徑可降解不同形式的TDP-43,在清除細(xì)胞質(zhì)TDP-43上具有協(xié)同作用,但自噬也可加劇病理性TDP-43的細(xì)胞毒效應(yīng)。

　　阿爾茨海默病(AD)是老年人出現(xiàn)癡呆癥狀的主要原因,其特征是進(jìn)行性認(rèn)知衰退和神經(jīng)元喪失、Aβ斑塊和大腦中過(guò)度磷酸化微管相關(guān)蛋白Tau的神經(jīng)元內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)。TDP-43蛋白病被認(rèn)為是AD和相關(guān)癡呆的一個(gè)重要組織病理學(xué)特征。TDP-43可能通過(guò)Aβ依賴性和Aβ非依賴性途徑促進(jìn)AD。TDP-43在AD中的分布可分為6個(gè)階段:第1階段在杏仁核;第2階段位于內(nèi)嗅皮層和下托;第3階段位于海馬齒狀回和枕顳皮層;第4階段在島葉皮層、腹側(cè)紋狀體、基底前腦和顳下皮層;第5階段在黑質(zhì)、下橄欖核和中腦頂蓋;第6階段位于基底節(jié)和額葉中皮質(zhì)。表現(xiàn)TDP-43、Aβ和Tau病理性聯(lián)合的患者比單獨(dú)Aβ和Tau的患者表現(xiàn)出更嚴(yán)重的AD癡呆。AD中TDP-43病理的位置與海馬體密切相關(guān),海馬萎縮與TDP-43沉積和神經(jīng)原纖維纏結(jié)NFT分期呈正相關(guān),與年齡呈負(fù)相關(guān)。而且只有當(dāng)延伸到杏仁核之外時(shí),它才會(huì)增加臨床阿爾茨海默型癡呆的可能性。TDP-43與阿爾茨海默病(AD)中的海馬萎縮有關(guān),但是否有其他因素影響這種關(guān)聯(lián)尚不清楚。

　　TDP-43參與阿爾茨海默病進(jìn)展。TDP-43在細(xì)胞質(zhì)中合成,并保留從細(xì)胞質(zhì)穿梭到其主要駐留的細(xì)胞核的能力,以執(zhí)行其生理功能,如RNA剪接。在AD的發(fā)展過(guò)程中,致病事件導(dǎo)致TDP-43從細(xì)胞核中耗盡,TDP-43在細(xì)胞質(zhì)中定位錯(cuò)誤,并形成不溶性TDP-43聚集體。病理性TDP-43引起的神經(jīng)變性可由生理功能喪失和毒性功能增加的潛在組合引起。

　　TDP-43蛋白病在一系列神經(jīng)退行性疾病中被發(fā)現(xiàn),包括ALS、FTLD、AD、PD、HD、HS等。因此,TDP-43蛋白質(zhì)病可能是神經(jīng)退變性疾病中神經(jīng)元損傷的病理機(jī)制之一。目前的研究發(fā)現(xiàn),生理性TDP-43相當(dāng)復(fù)雜,參與多種生理反應(yīng),包括自我調(diào)節(jié)、RNA生物生成、DNA修復(fù)、核糖體蛋白翻譯、軸突運(yùn)輸、囊泡運(yùn)輸、蛋白質(zhì)和線粒體的質(zhì)量控制系統(tǒng)以及應(yīng)激顆粒的穩(wěn)態(tài)。在正常情況下,TDP-43通過(guò)自身調(diào)節(jié)參與細(xì)胞核內(nèi)各種RNA的形成和剪接。核孔復(fù)合體是TDP-43從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行正常功能所必需的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。核孔蛋白和轉(zhuǎn)運(yùn)因子的分離或錯(cuò)位受疾病相關(guān)的突變體TDP-43聚集的影響。它干擾核蛋白和RNA的核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)胞的正常生理功能受到破壞。核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)或功能障礙是神經(jīng)退行性疾病的常見(jiàn)機(jī)制。TDP-43參與應(yīng)激顆粒的形成,從應(yīng)激環(huán)境中分離RNA和參與轉(zhuǎn)錄和翻譯的重要蛋白質(zhì)。總之,TDP-43在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞中發(fā)揮著多種生理功能。隨著對(duì)TDP-43的日益了解,TDP-43可作為神經(jīng)退行性疾病診斷的生物標(biāo)志物,或作為神經(jīng)退變性疾病治療的靶點(diǎn)。目前所發(fā)現(xiàn)的TDP-43突變還有許多尚未在細(xì)胞和動(dòng)物模型中進(jìn)行毒性機(jī)制的探索和驗(yàn)證,因此未來(lái)更廣泛地研究有利于具體化、精準(zhǔn)化地理解不同病理性TDP-43的病理機(jī)制,為尋找潛在的個(gè)體化治療靶點(diǎn)和精準(zhǔn)治療策略提供幫助。

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　　文案 | 靈犀

　　排版 | 周琦

　　審核 | Jane 劉澤鵬

（責(zé)任編輯：華康）