4EHP与NELF-E通过调控40S核糖体亚基和eIF3复合物调控果蝇生理性ATF4诱导及疾病模型中的蛋白质稳态

《Nature Communications》：4EHP and NELF-E regulate physiological ATF4 induction and proteostasis in disease models of Drosophila

本研究揭示了在果蝇中，mRNA帽结合蛋白4EHP通过结合NELF-E mRNA调控其表达，进而与NELF-E共同调控40S核糖体亚基和eIF3复合物的丰度，从而影响ATF4的翻译诱导。该通路对于果蝇脂肪体中的生理性氨基酸代谢以及帕金森病模型中的蛋白质稳态至关重要，为理解整合应激反应（ISR）的精细调控机制提供了新视角。

　　

细胞在面临营养匮乏、内质网应激等压力时，会启动一套精密的防御机制——整合应激反应（Integrated Stress Response, ISR）。这套反应的核心在于，通过激活特定的激酶来磷酸化翻译起始因子eIF2α，从而抑制绝大多数蛋白质的合成，以节省能量。然而，在这种“全局翻译抑制”的背景下，一个名为ATF4的转录因子却能够“逆势而上”，其翻译水平反而被显著诱导。ATF4随后会启动一系列基因的表达，帮助细胞应对压力，维持蛋白质稳态（Proteostasis）。尽管ATF4的翻译调控机制已被广泛研究，但除了经典的eIF2α激酶通路外，是否还存在其他关键调控因子，以及这些因子如何精确调控ATF4的表达，仍是领域内亟待回答的问题。

为了回答这些问题，来自纽约大学格罗斯曼医学院的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项研究。他们利用果蝇模型，发现了一个由4EHP和NELF-E组成的全新调控轴，该轴通过调控40S核糖体亚基和eIF3复合物的丰度，精细调控了生理和病理状态下的ATF4信号通路。

关键技术与方法

本研究主要采用了果蝇遗传学模型，利用Gal4/UAS系统在脂肪体中特异性敲低或过表达目标基因。研究团队通过RNA干扰（RNAi）筛选，结合TRIBE（Targets of RNA Binding through Editing）技术，鉴定出4EHP的RNA结合靶点。此外，研究还运用了转录组测序（RNA-seq）和定量蛋白质组学分析，全面评估了基因敲低后的转录和蛋白水平变化。通过构建ATF4报告基因（Thor^intron-DsRed）和crc 5'UTR-DsRed报告基因，研究人员在体内验证了ATF4信号通路的活性。最后，研究还利用帕金森病（parkin突变）和视网膜变性（crc^GFSTF）两种果蝇疾病模型，评估了该调控轴在病理条件下的功能。

研究结果

4EHP是生理性ATF4表达所必需的基因

研究人员首先在果蝇幼虫脂肪体中，利用一个已知的ATF4靶基因（Thor）的报告基因进行小规模RNAi筛选，发现敲低4EHP（eIF4E-Homologous Protein）能显著抑制报告基因的表达。进一步实验证实，4EHP的缺失不仅降低了ATF4的蛋白水平，还导致果蝇在完全饥饿条件下的生存率显著下降。代谢组学分析显示，4EHP缺失的果蝇体内多种氨基酸及其代谢产物水平降低，表明4EHP对于维持正常的氨基酸代谢至关重要。

4EHP缺失影响蛋白质稳态相关表型

为了探究4EHP在疾病模型中的作用，研究人员观察了帕金森病相关基因parkin突变的果蝇。结果显示，parkin突变会强烈激活ATF4信号通路，而引入4EHP突变则能显著抑制这种过度激活，并改善parkin突变果蝇的生存率。此外，在光诱导的视网膜变性模型中，4EHP突变的果蝇也表现出更早的视网膜退化，进一步支持了4EHP在维持蛋白质稳态中的关键作用。

4EHP结合NELF-E mRNA并调控其表达

为了阐明4EHP的作用机制，研究人员利用TRIBE技术寻找与4EHP结合的mRNA。结果发现，NELF-E（Negative Elongation Factor E）的mRNA是4EHP的高亲和力结合靶点。虽然NELF-E的转录水平在4EHP敲低后没有变化，但其蛋白水平却显著下降，表明4EHP在转录后水平调控NELF-E的表达。

NELF-E调控代谢通路和RpS亚基

与4EHP类似，敲低NELF-E同样会抑制ATF4报告基因的表达，并导致果蝇在饥饿条件下生存率下降。转录组和蛋白质组学分析显示，NELF-E敲低后，ATF4靶基因（如丝氨酸合成通路相关酶）的表达显著下调。更重要的是，NELF-E的缺失选择性地降低了多个40S核糖体亚基（RpS）和eIF3l亚基的蛋白水平，而60S核糖体亚基（RpL）的水平则没有受到影响甚至有所升高。

crc/ATF4信号通路对eIF3亚基的缺失具有选择性敏感性

基于上述发现，研究人员进一步验证了40S核糖体亚基和eIF3复合物在ATF4调控中的作用。他们发现，敲低40S核糖体亚基RpS12或eIF3复合物的亚基eIF3h，均能特异性抑制ATF4报告基因的表达，而不影响对照基因的表达。利用一个专门报告ATF4 5'UTR调控活性的报告基因，研究人员进一步证实，eIF3h的缺失确实影响了ATF4 mRNA 5'UTR介导的翻译调控。

研究结论与讨论

本研究揭示了一个全新的ATF4调控网络，该网络由4EHP、NELF-E、40S核糖体亚基和eIF3复合物组成。研究结果表明，4EHP通过结合NELF-E mRNA，在转录后水平促进NELF-E的表达。NELF-E则进一步调控40S核糖体亚基和eIF3复合物的丰度。由于ATF4的翻译诱导依赖于其5'UTR中的上游开放阅读框（uORFs），而uORF的翻译和再起始过程对40S核糖体和eIF3的丰度高度敏感，因此，该调控轴的任何一环被破坏，都会导致ATF4信号通路的减弱。

这一发现不仅深化了我们对整合应激反应（ISR）调控机制的理解，也为相关疾病（如帕金森病）的治疗提供了新的潜在靶点。研究提示，通过干预4EHP-NELF-E轴，可能能够精细调控ATF4的活性，从而在疾病治疗中实现更精准的干预。