梁毅课题组揭示miRNA对PrPC相分离、肌肉细胞自噬及分化调控机制

　　

2023年12月8日，Nature Communications（影响因子16.6）以长文（Article）形式在线发表梁毅教授的最新研究成果，论文题为“Excess PrP^C inhibits muscle cell differentiation via miRNA-enhanced liquid–liquid phase separation implicated in myopathy”(过量朊蛋白通过miRNA促进液-液相分离来抑制肌肉细胞分化和加重肌病)，该研究全球首先在肌病患者的骨骼肌样本中观察到了miR-214-3p与细胞型朊蛋白（PrP^C）的过量积累和共定位现象，揭示了miRNA对PrP^C相分离、肌肉细胞自噬及分化调控机制，为发展新的针对miRNA与PrP^C过量积累的肌病治疗药物奠定了基础。

细胞型朊蛋白（PrP^C）因其病理型朊病毒蛋白（PrP^Sc）引发一类神经退行性疾病-prion疾病-而臭名昭著。尽管科学家们在其错误折叠导致的神经退行性疾病背景下进行了深入研究，但迄今为止细胞内源PrP^C的生理功能知之甚少。

PrP^C是一种糖基磷脂酰肌醇锚定的糖蛋白，在神经和包括骨骼肌在内的非神经组织中表达，PrP^C和PrP^Sc能在肌肉细胞中大量累积，并且PrP^C的过表达或缺失对肌肉有不利影响。PrP^C在肌肉生理和疾病中发挥作用，在几种人类肌病中，已发现骨骼肌细胞中PrP^C存在上调和/或重新分布，这些变化包括包涵体肌炎和神经源性肌肉萎缩个体肌肉中PrP^C表达增加。尽管许多骨骼肌疾病在临床和病理表现上有所不同，但它们都有一个共同的特点，即miRNA表达失调。PrP^C通过与AGO相互作用促进miRISC复合物（包含TNRC6蛋白和靶向mRNA）的组装或稳定，增加AGO、TNRC6和miRNA抑制的mRNA的关联。

在野生型朊蛋白及其病理突变体E196K淀粉样纤维和野生型铜锌超氧化物歧化酶（SOD1）淀粉样纤维冷冻电镜结构及功能前期工作（2020年6月8日、2021年9月9日和2022年6月17日分别发表于Nature Structural & Molecular Biology（《自然·结构与分子生物学》）、Science Advances（《科学·进展》）和Nature Communications（《自然·通讯》））中，梁毅教授研究团队解析了全长野生型朊病毒蛋白纤维、全长E196K纤维和类朊病毒蛋白野生型SOD1纤维的结构，首次在原子水平上揭示了朊蛋白由PrP^C向PrP^Sc结构转变的机制，揭示了朊病毒蛋白病理聚集多态性的分子机制，揭示了渐冻症（ALS）致病蛋白质SOD1构象转化分子机制。PrP^C和miRNA在细胞中都具有重要的生理功能，然而miRNA到底是怎么调控PrP^C相分离、肌肉细胞自噬及分化的仍是困扰科学界的谜题。

为了阐释miRNA对PrP^C相分离、肌肉细胞自噬及分化调控机制，研究人员在细胞和病理样本水平上开展了PrP^C在肌病患者肌肉中的累积与作用机制的研究，在分化中的C2C12细胞中内源的PrP^C和特异性结合的miR-214-3p表达并发生共定位, 在皮肌炎（DM）、神经源性肌病（NM）、肌营养不良（MD）等具有再生肌纤维的肌病患者中也存在大量表达与共定位。

进一步研究发现，肌肉细胞过量累积的PrP^C增强其特异性结合的miRNA与下游靶mRNA的作用来抑制自噬，从而抑制肌管分化，加重肌病。这些特异性结合的miRNA在体外和活的C2C12肌肉细胞中能够促进PrP^C发生液-液相分离，这种异常的相分离在C2C12肌肉细胞中加重PrP^C的累积，PrP^C转变为不溶于sarkosyl的纤维状凝聚物，并引起肌管细胞死亡。肌管破坏后，新的卫星细胞分化为成肌细胞，但过量积累的PrP^C会抑制其分化为肌管，这样的一个恶性循环，导致了这些肌病中具有很多不完全再生的肌管，进而导致肌肉萎缩，这一发现首次揭示了受特异性结合的miRNA调控的PrP^C在肌病中的致病机制。

通过CRISPR-Cas9技术、激光共聚焦显微、免疫印迹和RIP-seq等方法，梁毅教授研究团队发现，PrP^C在C2C12肌肉细胞分化中逐渐表达，并且随着细胞分化会从细胞膜上转移到细胞质中发挥作用。敲除PrP^C、过表达PrP^C以及过表达PrP^C定位发生改变的病理突变体F198S后，C2C12肌肉细胞都不会发生分化，且过表达PrP^C能够抑制分化过程中的细胞自噬。在C2C12细胞分化中期的内源PrP^C和过表达的PrP^C都能选择性地结合一类成熟的miRNA，并且这些miRNA富集于自噬与分化生物进程中。

该研究首次揭示了miRNA对PrP^C相分离、肌肉细胞自噬及分化的调控机制及其在肌病中的作用，并使得发展新的针对miRNA与PrP^C过量积累的肌病治疗药物成为可能，具有重要的科学意义。

▲ 在6例肌病患者的骨骼肌样本中观察到了miR-214-3p与PrP^C的过量积累和共定位现象

▲ 特异性结合的miRNA在活的C2C12肌肉细胞中促进PrP^C液-液相分离

▲ 敲除PrP^C、过表达PrP^C以及过表达PrP^C定位发生改变的病理突变体F198S后，C2C12肌肉细胞都不会发生分化

▲ 过表达PrP^C能够抑制分化过程中的细胞自噬

▲ 在C2C12细胞分化中期的内源PrP^C和过表达的PrP^C都能选择性地结合一类成熟的miRNA

武汉大学生命科学学院2018级博士研究生陶菁为第一作者，梁毅教授为通讯作者，武汉大学人民医院神经内科副主任医师曾艳平博士、广东省科学院微生物研究所谢黎炜研究员、武汉大学人民医院神经内科卢祖能教授和武汉大学生命科学学院周宇教授等参与了该项研究。这项研究工作得到了国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会科技计划重点项目、中国博士后科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43826-7