《Cell》转录因子与神经退行性疾病之间的“盲盒”

DNA binding and mitotic phosphorylation protect polyglutamine proteins from assembly formation

在神经退行性疾病中，多聚谷氨酰胺（polyQ）扩张会导致致病性蛋白聚集。为探究富含谷氨酰胺的转录因子（TFs）如何避免异常聚集，研究人员以 FOXP2 为模型开展研究。结果发现 DNA 结合和有丝分裂磷酸化可保护 FOXP2 等蛋白，该成果为 polyQ 扩张疾病治疗提供新思路。

　　

在生命的微观舞台上，基因的表达调控恰似一场精妙绝伦的交响乐，而转录因子（TFs）无疑是这场演出中举足轻重的指挥家。它们通过与 DNA 的紧密结合，将基因组中的神秘信息转化为特定的基因表达模式，在生命活动的核心区域翩翩起舞，掌控着无数生理进程的节奏。

然而，在这些转录因子的复杂结构中，隐藏着一些特殊的 “暗角”—— 富含谷氨酰胺的低复杂性区域（LCRs）。其中，多聚谷氨酰胺（polyQ）序列就像潜伏在暗处的神秘密码，在正常情况下，它或许是转录因子发挥功能的得力助手，协助完成各种精密的生命指令。但当它的序列发生异常扩张时，却如同被打开了 “潘多拉魔盒”，释放出一系列可怕的后果，成为引发神经退行性疾病的罪魁祸首，如令人谈之色变的亨廷顿舞蹈症（HD）。

在亨廷顿舞蹈症的病理世界里，致病蛋白亨廷顿蛋白（HTT）的 polyQ 序列如同脱缰的野马，异常扩张至超过一定长度阈值。此时，原本有序的蛋白结构被打乱，它们开始聚集在一起，形成具有强大毒性的聚集体。这些聚集体如同一个个微小而致命的 “定时炸弹”，在神经细胞内部不断积累，对神经细胞的正常结构和功能造成严重破坏，逐渐侵蚀患者的神经系统，导致患者出现不自主的舞蹈样动作、认知障碍等一系列痛苦症状，生活质量急剧下降，生命也受到严重威胁。

但生命的奥秘总是充满惊喜与困惑。在科学家们深入探索这个神秘领域时，他们惊讶地发现，许多正常的转录因子中同样存在长 polyQ 序列，可这些序列却如同被施了魔法一般，并不会形成有毒的聚集体，也不会引发疾病。这一现象宛如一团迷雾，笼罩在科学界的头顶，让无数科研人员为之着迷，迫切想要揭开其背后隐藏的机制。

如今，来自斯坦福大学医学院的一群勇敢探索者，决定踏上这片充满未知的领域，挑战这个科学界亟待解开的谜团。他们以 FOXP2 为研究模型，开启了一场充满挑战与惊喜的科学之旅。FOXP2，这个在人类语言和小脑、肺发育中扮演着重要角色的转录因子，拥有人类蛋白质组中最长的连续 polyQ 序列，仿佛是大自然特意留下的一把解开谜题的关键钥匙。

研究人员如同经验丰富的侦探，在细胞的微观世界里仔细寻找线索。他们发现，在细胞间期，DNA 结合如同一位忠诚的守护者，紧紧维持着 FOXP2 的溶解性，防止其聚集，确保转录因子能够正常履行职责。而当细胞进入有丝分裂期间，奇妙的事情发生了：FOXP2 会发生多磷酸化修饰，这一修饰就像给 FOXP2 换上了一套全新的 “装备”，不仅促使它从染色质上脱离，还神奇地替代了 DNA 结合的溶解功能，保证了它在有丝分裂过程中的溶解性，让 FOXP2 在细胞分裂的复杂过程中依然能够保持稳定，不被异常聚集所干扰。

更令人兴奋的是，研究人员还发现人类特异性的氨基酸替代能够降低 FOXP2 的聚集倾向。其中，T303N 替代就像一颗闪耀的明星，对提高 FOXP2 的溶解性起到了关键作用，仿佛是大自然在进化过程中为人类量身定制的一种保护机制，使得 FOXP2 在人类体内能够更加稳定地发挥功能，避免因聚集而引发潜在的疾病风险。

为了将这些发现转化为治疗疾病的希望之光，研究人员进一步通过实验证明，利用 DNA 结合结构域（DBD）、模拟磷酸化的 EVO 补丁或短的带负电荷肽，可以显著减少由致病形式的 HTT 形成的淀粉样聚集体。这一成果宛如在黑暗中点亮了一盏明灯，为治疗 polyQ 扩张疾病提供了全新的策略和无限的希望。或许在不久的将来，这些研究成果能够走出实验室，成为治疗亨廷顿舞蹈症等神经退行性疾病的有效手段，为无数患者带来福音。

在这场探索基因奥秘的征程中，研究人员运用了多种先进而关键的技术方法，如同手持精密工具的工匠，精心雕琢每一个实验细节。在细胞实验方面，他们通过稳定细胞系和瞬时转染技术，将不同的质粒导入细胞，如同在细胞内部安装了一个个 “观察窗口”，仔细观察蛋白的表达和定位情况，捕捉每一个微妙的变化。利用染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）技术，他们能够深入研究蛋白与染色质的结合情况以及基因组的占据情况，仿佛在解读基因世界的 “密码本”，了解转录因子在基因组中的活动轨迹。质谱（MS）技术则如同敏锐的 “嗅觉探测器”，用于分析蛋白的磷酸化修饰位点和程度，精准地揭示蛋白质在不同状态下的化学变化。

通过这些技术的巧妙运用，研究人员收获了一系列令人瞩目的成果：

• DNA 结合保护 FOXP2 不聚集：与言语障碍紧密相关的 R553H 突变，如同一个狡猾的 “破坏者”，会损害 FOXP2 与 DNA 的结合能力，使得原本坚固的 “连接桥梁” 变得脆弱不堪。同时，这一突变还会导致 FOXP2 形成核聚集物，对细胞的正常功能造成严重干扰。研究人员还发现，当突变发生在与 DNA 直接接触的位点（如 Y540D、R583D）时，蛋白也会形成核聚集物。然而，令人欣慰的是，只要恢复 FOXP2 与染色质的相互作用，不论 DNA 序列特异性如何，都能如同给蛋白注入了 “抗聚集魔力”，抑制聚集形成。而且，这种神奇的保护作用并非 FOXP2 所独有，DNA 结合还能促进其他易聚集转录因子的溶解性，甚至对致病的 HTT 片段也有溶解作用，不过这种作用如同一个复杂的 “跷跷板”，依赖于 DBD 的结合亲和力和聚集蛋白的特性，需要精准把握其中的平衡。

• FOXP2 聚集体和 polyQ 聚集体在有丝分裂中消散：在细胞有丝分裂这个充满变化的过程中，尽管 FOXP2 会暂时从 DNA 上脱离，但它却如同一位坚守纪律的 “士兵”，不会形成聚集物，保持着自身的稳定。研究人员还惊讶地发现，不仅 FOXP2 的突变体在有丝分裂中会神奇地溶解，致病的 HTT 扩张片段在有丝分裂中也会部分溶解，只不过其动力学过程比全长 FOXP2 要缓慢一些，仿佛是在一场舞蹈中，HTT 扩张片段的动作稍显迟缓，但最终也能跟上溶解的节奏。

• FOXP2 在有丝分裂中发生超磷酸化：借助质谱分析这一强大的技术工具，研究人员如同发现了宝藏一般，发现 FOXP2 在有丝分裂细胞中存在 30 个磷酸化位点，宛如在 FOXP2 这座 “城堡” 中找到了 30 个神秘的 “开关”。其中，11 个是典型的有丝分裂 CDK 介导的 SP/TP 基序，这些基序如同重要的 “控制按钮”，掌控着 FOXP2 的部分功能。而其余位点则集中在两个特殊区域：EVO 补丁（包含人类特异性氨基酸残基 N303 和 S325）和 pre - FHD 补丁，这两个区域仿佛是 FOXP2 身上隐藏的 “秘密武器库”，蕴含着未知的功能奥秘。

• SP/TP 磷酸化位点介导 FOXP2 从染色质上释放：研究人员通过构建 FOXP2 的突变体，如同在基因的 “实验室” 中进行一场精心设计的冒险，发现 SP/TP 位点的磷酸化对于 FOXP2 在有丝分裂时从染色质上释放是必需的。这一发现表明该过程并非是染色质浓缩的被动副产物，而是一个主动调控的精密过程，就像一场精心策划的舞台表演，每一个环节都经过了精心设计，确保 FOXP2 能够在合适的时间、合适的地点进行正确的 “动作”。

• FOXP2 超磷酸化调节有丝分裂中的溶解性：在 R553H 背景下，研究人员引入 11A 磷酸化缺失突变体和泛磷酸化缺失突变体，如同在基因的 “拼图游戏” 中尝试不同的组合。他们发现，多个磷酸化位点的协同修饰就像一群默契配合的 “舞者”，有助于 FOXP2 在有丝分裂中的溶解性，共同维持着 FOXP2 的稳定状态。而且，单独突变 EVO 补丁或 pre - FHD 补丁的磷酸化位点，在有丝分裂中也能部分溶解 FOXP2 R553H 突变体，这进一步证明了这些特殊区域在调节 FOXP2 溶解性方面的重要作用，仿佛它们是 FOXP2 溶解性的 “调节旋钮”，能够根据细胞的需求进行微调。

• EVO 补丁磷酸化促进 polyQ 蛋白的溶解性：在间期细胞这个微观世界里，EVO 补丁的磷酸化模拟突变体如同拥有神奇魔力的 “溶解大师”，能显著溶解 FOXP2 R553H 的核聚集物，让原本聚集的蛋白重新恢复分散状态。不仅如此，它对细胞质中的 polyQ 聚集体也有强大的抑制作用，仿佛是一把万能的 “钥匙”，能够打开 polyQ 蛋白聚集的 “枷锁”。更神奇的是，用带负电荷的 14D/E 肽替代 EVO 补丁同样能抑制 polyQ 蛋白的聚集，这表明可以通过招募 polyQ 到带负电荷的实体来溶解病理聚集体，为治疗 polyQ 扩张疾病提供了全新的思路和方法，就像找到了一条通往治愈疾病的新道路。

• 人类特异性 EVO 补丁替代保护 FOXP2 不聚集：当将人类 FOXP2 与小鼠、黑猩猩的 FOXP2 进行对比时，研究人员发现人类 FOXP2 如同进化长河中的一颗独特明珠，有两个独特的氨基酸替代位于 EVO 补丁中。进一步研究发现，人类 FOXP2 的溶解性更高，其中 N303T 替代对提高溶解性的作用尤为显著，仿佛是人类在进化过程中获得的一项特殊 “技能”。这一发现不仅揭示了人类特异性替代在促进 FOXP2 溶解性方面的分子功能，还神奇地与纹状体突触可塑性存在功能联系，为我们理解人类语言进化等生理过程提供了新的视角，仿佛打开了一扇通往探索人类独特生理奥秘的大门。

这项研究犹如一场在基因微观世界中的壮丽探险，揭示了转录因子中 polyQ 序列的溶解性依赖于 DNA 结合这一关键机制。当 DNA 结合能力受到干扰时，转录因子就如同失去了稳定的 “锚点”，会形成聚集体，从而可能引发一系列疾病。而在有丝分裂期间，磷酸化修饰则为 FOXP2 的溶解性提供了有效的解决方案，确保细胞在分裂过程中的正常生理功能。此外，研究还发现了人类特异性氨基酸替代对 FOXP2 溶解性的影响及其在人类语言进化中的潜在作用，为我们理解生命的进化历程和疾病的发病机制提供了全新的视角。这些重要发现不仅为深入理解 polyQ 扩张疾病的发病机制提供了关键线索，还为开发治疗这些疾病的新策略奠定了坚实基础，有望在未来为相关疾病的治疗带来革命性的突破，让我们对战胜这些可怕的神经退行性疾病充满了期待。