核仁应激是衰老的驱动因素 揭示无功能核糖体蛋白错误累积是肌萎缩侧索硬化症(ALS)潜在病因

研究利用肌萎缩性侧索硬化症中突变驱动的(PR)n富含精氨酸的肽作为核仁应激的诱导剂，解释了核仁应激如何在动物细胞中诱导毒性和引发衰老。同时也表明遗传性ALS的一个可能原因是运动神经元中无功能的核糖体蛋白质错误地积累并阻止细胞正常运作。

　　

研究背景

核仁是最大的无膜核细胞器，在核糖体生物发生中起核心作用。核仁含有数百种参与多种附加功能的蛋白质如DNA修复和重组、端粒维持或应激反应。核仁主要由相分离形成，由核糖体DNA (rDNA)和/或核糖体RNA (rRNA)与核仁因子之间的低亲和力相互作用驱动。蛋白质在核仁的积累是由核仁定位序列介导的，其中超过50%的氨基酸是带正电的赖氨酸和精氨酸。核仁蛋白在各种形式的应激下经常改变其定位，这种重新分布被解释为核仁应激(NS，Nucleolar stress )的指示。核仁应激统称为一系列针对核仁并改变其形状和功能的化学或遗传扰动。核仁应激诱导剂可能包括RNA聚合酶I (RNA Pol I)抑制剂、病毒蛋白、紫外线、热休克、DNA损伤药物。

引起核仁应激的除了外源性因素，还有人类疾病。例如，核仁形状和数量的畸变与几种癌症类型的预后不良有关，在癌细胞中经常发现核糖体蛋白的突变或表达改变。针对核仁的策略正在被积极研究作为抗癌疗法。除了癌症外，核仁应激还与神经退行性疾病特别相关——这可能是由于神经元的翻译需求相比其他细胞类型要更高。在肌萎缩性侧索硬化症（ALS）和脊髓小脑性共济失调36型患者中发现了核仁应激诱导的富含精氨酸的二肽重复序列(DPRs)，如(PR)n或(GR)n，分别由C9ORF72和SCA36突变驱动。这些核仁应激诱导的富含精氨酸的二肽重复序列(DPRs)，在核仁中积累，破坏核仁功能，导致细胞死亡。然而，即使有几篇论文报道了富含精氨酸的二肽重复序列在核仁中的明显作用，但对DPRs触发的核仁应激如何导致细胞毒性仍然缺乏充分了解。

尽管没有被列为“衰老的标志”之一，但大量证据表明核仁应激在衰老中发挥了作用。一些长寿的中枢调节器，如哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)激酶，是核糖体生物发生和核糖体蛋白合成的关键调节器。在一些生物中核仁大小被证明与寿命呈负相关。核仁应激可以在体外驱动哺乳动物细胞衰老，但证明核仁应激加速成年动物衰老的直接证据仍然缺失。

该研究利用C9ORF72突变引起的(PR)n多肽作为诱导核仁应激的工具，探讨核仁应激的毒性机制及其对哺乳动物寿命的影响。

研究简介：

为了研究NS如何触发毒性，作者使用了一些神经退行性疾病如肌萎缩性侧索硬化症（ALS）中存在的C9ORF72突变引起的(PR)n富含精氨酸的肽作为这种扰动的诱导剂。(PR)n的表达导致翻译的减少，伴随着游离核糖体(r)蛋白的积累。在小鼠中，(PR)97的全身表达驱动广泛的核仁应激和加速衰老，雷帕霉素减轻了这一现象。值得注意的是，孤儿游离核糖体蛋白的普遍积累是诱导核仁应激的化学或遗传扰动的常见结果。(PR)n抗性细胞的游离核糖体蛋白合成率较低，通过mTOR抑制或MYC耗损靶向核糖体生物发生可减轻体外(PR)n毒性。研究提出了一个通用模型来解释核仁应激如何诱导细胞毒性，并提供体内证据支持核仁应激是哺乳动物衰老驱动因素。

对肌萎缩侧索硬化症(ALS)的潜在致病原因的启示

肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种退行性疾病。负责运动的神经元开始死亡，肌肉控制逐渐丧失，导致致命的后果。ALS的病因目前尚不清楚，也没有有效的治疗方法。在《Molecular Cell》杂志上发表的这篇论文中，由西班牙国家癌症研究中心(CNIO)基因组不稳定性小组负责人óscar Fernández-Capetillo领导的研究小组提供了第一个证据，证明遗传性ALS(家族性ALS)的一个可能原因是运动神经元中“垃圾蛋白”——无功能的核糖体蛋白质——错误地积累并阻止细胞正常运作。正常核糖体蛋白质形成核糖体——负责蛋白质生产的分子工厂。这项研究为理解ALS的起源提供了一种新的假设，表明它与另一组称为核糖体病的罕见疾病有相似的起源，也与过量的无功能核糖体蛋白有关。在ALS的情况下，这个问题仅限于运动神经元。这项新研究还开辟了另一个领域——衰老研究的新前沿。作者提出了一个在衰老过程中一直被忽视的新的致病因素:核仁应激，一种被称为核仁的细胞器对细胞中的各种损伤作出反应的机制。

阻断RNA

大多数遗传性肌萎缩侧索硬化症患者都有一种叫做C9ORF72的基因突变。这种突变导致产生富含精氨酸的有毒蛋白质或多肽。Fernandez Capetillo的团队在此前的研究中发现，这些有毒的肽“像焦油一样粘在DNA和RNA上”，影响细胞中需要这些核酸参与的几乎所有反应。新的研究表明，这种有毒的蛋白质对新核糖体——细胞内由RNA和蛋白质组成的生产工厂——的制造有特别严重的影响。文章发表在《Molecular Cell》杂志上，Oleksandra Sirozh是第一作者。

ALS是一种核糖体病

因此，由于核糖体无法完成组装，细胞积累了过量的孤儿核糖体蛋白，无法形成核糖体，这些蛋白质最终会破坏细胞清除系统，最终导致运动神经元死亡。Fernández Capetillo认为，这项工作首次表明ALS的病因与另一种称为核糖体病的疾病之间存在相似性，核糖体病也与人体所有细胞中功能失调核糖体蛋白的普遍积累有关。

潜在的治疗途径

基于这一发现，西班牙国家癌症研究中心小组探索了一个解决方案。“由于问题是过量的核糖体垃圾，我们探索了使细胞产生更少核糖体的策略，”Fernández-Capetillo解释说。为了实现这一目标，他们使用遗传和药理学方法关闭了体外组织中产生核糖体的两种机制，并发现通过产生更少的“垃圾”，毒性实际上降低了。然而，这些结果应该谨慎解读:“我们正处于第一步，看看我们是否可以从治疗的角度来看待这些发现”。目前，这些实验只是表明，“在寻找治疗ALS的方法中，可能存在尚未被探索的途径”。“我们必须找到减少核糖体产生的方法，这样废物就会减少，同时仍然保持足够的数量来保证细胞的正常功能。”

衰老的新原因:核仁应激

核仁是合成核糖体的细胞成分。近几十年来，人们观察到它的功能之一是检测细胞中的应激情况，如DNA损伤或营养缺乏。核仁应激最终可以改变蛋白质的产生，其触发因素是一个非常活跃的研究领域的对象。在发表在《Molecular Cell》杂志上的这项研究中，作者让动物在全身表达ALS患者体内发现的有毒蛋白质——这种毒素会引起严重的核核压力。但研究人员也意外地观察到，这些动物衰老得非常快。

垃圾蛋白加速衰老

根据他们之前的研究，他们发现这种衰老也是由于非功能性核糖体蛋白的积累:当给动物服用一种降低核糖体产生速度的药物时，它们的预期寿命增加了一倍。Fernández Capetillo说，这项工作“是第一个证明核仁应激加速衰老的实验证据。“在这项的工作中报告了一个新的模型，解释了核仁应激如何在动物细胞中诱导毒性，并提供了直接证据，证明它加速了哺乳动物的衰老。