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人类分子遗传学。2009年10月15日；18（R2）：R156–R162。
数字对象标识：10.1093/hmg/ddp303
预防性维修识别码：项目经理2758707
PMID：19808791

TDP-43突变将富含甘氨酸的结构域功能与肌萎缩侧索硬化联系起来

G.斯科特·佩西里迪斯,1 弗吉尼亚·M·Y·李,1,2和约翰·特洛伊亚诺夫斯基1,2,*
作者信息 文章注释 版权和许可信息 PMC免责声明

摘要

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是最常见的成人运动神经元疾病，每年在全球范围内影响约2/10万人。ALS患者的运动神经元迅速进行性退化，最终导致死亡。ALS患者死后组织中观察到的主要病理特征是运动神经元丢失、皮质脊髓束变性、胶质增生和由分子量为43 kDa的TDP-43或TAR DNA结合蛋白形成的细胞质神经元内含物，目前被认为是散发性ALS的特征性病变。TDP-43具有两个RNA结合域（RBD）和一个富含甘氨酸的C末端，将其与其他异质核核糖核蛋白（称为2XRBD-Gly蛋白）分类。许多报告显示，一部分ALS患者的TDP-43存在突变(TARDBP公司)基因。这进一步加强了TDP-43中毒性功能增加或功能丧失导致ALS的假设。目前，有29种不同TARDBP公司据报道，51例无关的散发或家族性ALS病例和2例ALS合并额颞叶退行性变病例中存在错义突变，TDP-43的C-末端富含甘氨酸结构域的突变非常集中。由于这些突变对于ALS动物和细胞模型的设计和实施来说无疑是一个非常宝贵的工具，同时也是探索TDP-43病理生物学的平台，因此我们在此总结了已确定的致病性TARDBP公司突变及其对我们理解TDP-43在疾病中的作用的潜在影响。

简介

TDP-43是额颞叶退行性变（FTLD）的主要病理蛋白，具有泛素阳性内含物（FTLD-U），伴有或不伴有运动神经元病（MND）以及散发性和家族性肌萎缩侧索硬化（ALS）(2). TDP-43病理学现在被认为是所有散发性ALS和某些形式的家族性ALS以及大多数散发性和某些家族性FTLD-U的特征性病变，现在被称为FTLD-TDP(三–6). 这些形式的ALS和FTLD-TDP统称为TDP-43蛋白病(7–9). TDP-43蛋白病理学的主要特征是TDP-43蛋白质在细胞质中积聚成圆形内含物、绞链或丝线，这些内含物与神经元和胶质细胞中TDP-43的同时核清除有关，但核内含物也会出现，尽管不太常见(2,10,11). FTLD-TDP和ALS患者死后脑组织的生化分馏通过显示C末端断裂的不溶性TDP-43的显著比例、高分子量泛素化TDP-43涂片和TDP-43过度磷酸化，扩展了病理性TDP-44的定义(2,10). 除FTLD-U和ALS外，其他TDP-43蛋白病的TDP-43病理学包括阿尔茨海默病、海马硬化、皮质基底变性和亨廷顿病(12–14).

家族型ALS（fALS）占所有ALS患者的约10%，超氧化物歧化酶基因（SOD1）突变是与ALS相关的所有基因突变中最常见的(15). 最近的研究表明，TDP-43和FUS（肉瘤中的FUse）都与ALS有遗传联系，因此意味着ALS中RNA剪接和代谢的关键功能被破坏(16,17). 这两种蛋白质主要存在于细胞核中，具有相似的结构域组织，这与它们的异质核核糖核蛋白（hnRNP）分类一致(18–21). 然而，在hnRNP蛋白质家族中，TDP-43与hnRNP的一个亚分类密切相关，包括hnRNP-A1，即2XRBD-Gly蛋白质(22,23). 它们有两个RNA结合域（RBD），其后是C末端富含甘氨酸的基序，并且被认为具有类似的功能。

FUS、TDP-43和hnRNP-A1在RNA剪接和转录中具有相似的功能作用。与FUS和hnRNP-A1很相似，TDP-43被提议通过RNA/DNA和蛋白质-蛋白质相互作用在转录调控方面发挥作用(24–30). TDP-43还通过RBD1与内含子尿苷-鸟苷重复序列（UG）的直接RNA结合调节选择性剪接米U型n个)以及与其他hnRNP的富含甘氨酸的结构域相互作用(18,31,32). 在这方面，TDP-43通过与hnRNP-A1相关的选择性剪接机制平行的机制，对囊性纤维化跨膜电导调节器的RNA剪接进行轻度增强(18,33). 因此，TDP-43和hnRNP-A1的比较可能阐明在2XRBD-Gly蛋白中观察到的富含甘氨酸结构域的共同作用，而TDP-43与FUS的功能相似性可能定义与MND广泛方面相关的共同生物活性。

TARDBP公司突变及其与ALS和FTLD-TDP的关系

ALS和FTLD-TDP（前身为FTDL-U）患者TDP-43蛋白病理学的突破性发现(2)迅速被一些独立研究小组证实，并开辟了新的研究途径，将TDP-43作为ALS和FTLD-TDP的关键病理成分(2,8,10). 最值得注意的是TARDBP公司在一组ALS患者中观察到基因突变。当前的列表TARDBP公司基因突变包括29种不同的错义突变，除一种外，其余全部（D169G）位于TDP-43外显子6编码的C末端富含甘氨酸结构域（表1). 在临床诊断为MND的患者（包括18名fALS患者）中观察到所有错义突变(n个=所有研究中调查的1167名）和30名散发性ALS（sALS）患者(n个=在所有研究中调查的2846），而在对照个体中没有观察到(n个=所有研究中调查的8117）(34–47). 全部TARDBP公司突变呈现常染色体显性遗传模式，野生型（WT）和突变等位基因的基因剂量相等(41). 最近的一份报告确定了两名患有FTLD加MND（FTLD-MND）的患者，其中TARDBP公司突变(n个=所有研究中调查的573）表明TARDBP公司突变不仅限于ALS(47). 的发现TARDBP公司ALS和FTLD-TDP患者的突变反映了一个反复出现的主题，即这些疾病与广泛的神经退行性TDP-43蛋白病相关。

表1。

TDP-43突变综述

突变频率一临床诊断TDP-43病理学参考
误解
 D169G型1sALS公司不适用39
 N267S型1sALS公司是的42
 g287秒2sALS公司b条不适用39,42
 G290A型1fALS公司不适用38
 G294A型1sALS公司c（c）不适用37
 G294伏2sALS/fALS不适用42,45
 G295R型1sALS公司不适用42
 G295S型4sALS/FTLD-MND公司c（c）不适用42,45,47
 G298S系列1fALS公司是的d日38
 A315T飞机1fALS公司不适用39
 Q331K问题1sALS公司是的e（电子）37
 S332牛顿1fALS公司不适用42
 G335D型1sALS公司不适用42
 m337伏三fALS公司是的e、 （f）37,41,42
 Q343R问题1fALS公司是的d、 克40
 N345K号1fALS公司是的（f）41
 G348C型6sALS/fALS是的（f）35,36,39,45
 N352S系列2fALS公司不适用34,35
 R361S系列1sALS公司是的（f）39
 第363A页1sALS公司不适用36
 Y374倍1sALS公司不适用36
 S379像素1fALS公司不适用42
 S379C系列1sALS公司不适用42
 A382T飞机11sALS/fALS是的（f）39,42,45
 A382P飞机1sALS公司不适用36
 I383伏1fALS公司是的（f）41
 N390S系列1sALS公司不适用39
 N390D号1sALS公司是的（f）39
 S393升1sALS公司不适用42
良性错义
 a90伏5sALS/FTLD-MND/Ctrl是的e（电子）37,39,44,47,63
 D65E型1sALS公司不适用44
良性同义词
 S29S系列1sALS公司不适用42
 A66A型9sALS/fALS/FTLD-MND公司不适用35,36,41,43–46
 Y214Y年1肌萎缩性脊髓侧索硬化症不适用46
 第225页1sALS公司不适用44
 A315A飞机4sALS/FTLD-MND/Ctrl不适用36,42,44,45
 352N号1sALS公司不适用44
良性UTR
 5′-UTR7fALS/sALS公司不适用41,46
 基因内21fALS/sALS公司不适用41,42,46
 3′-UTR5fALS/sALS/FTLD-MND/Ctrl键不适用36,41,44,47

一具有突变的无关个体的数量。

b条一名G287S患者在不同的等位基因上也具有良性A315A。

c（c）患者报告有认知障碍。

d日通过免疫组织化学观察患者脑组织中TDP-43的病理变化。

e（电子）体外重组TDP-43突变体的转染显示CTF。

（f）从患者溶酶体中提取的C末端TDP-43片段（CTF）。

克在患者CNS组织中观察到CTF。

这个TARDBP公司该基因位于第1染色体（1p36.22）上，包含6个转录外显子。TDP-43的主要蛋白质形式是从外显子2-6翻译而来，产生414个氨基酸蛋白质。总共有70种不同的TARDBP公司迄今为止发现的点突变或变体包括上述错义突变中的28个，两个良性错义突变，一个无义突变，六个同义突变，7个5′非翻译区（UTR）突变，21个内含子突变，以及TARDBP公司大多数突变发生在TARDBP公司它编码约60%的TDP-43蛋白和超过70%的整个mRNA转录物。根据这些观察结果，很明显外显子6及其编码的富含甘氨酸的结构域是TDP-43蛋白的关键组成部分。

大多数TARDBP公司第6外显子错义突变发生在哺乳动物中高度保守的氨基酸上(37,40,45)，但对来自其他人类2XRBD-Gly-hnRNP（如hnRNP-A1和hnRNP-A2/B1）的富含甘氨酸的结构域的更仔细检查表明，这些突变中的一些发生在这些人类旁系中进化保守的位置。例如，TDP-43和hnRNP-A1在各自富含甘氨酸的结构域中共享～21%的序列一致性（图1)而两者都显示出芳香氨基酸的规则间隔，其中穿插着保守的甘氨酸(48). 此外，极端C末端的保守丝氨酸是hnRNP-A1和TDP-43的已知磷酸化靶位点(49,50). 此外，已知hnRNP-A1和hnRNP-A2/B1中富含甘氨酸的结构域在蛋白质相互作用、RNA结合和核质穿梭中发挥功能作用(51–55). 观察到TDP-43也通过其富含甘氨酸的结构域促进蛋白质-蛋白质相互作用(32,56)支持以下观点：常见hnRNP功能受损时，可能参与导致ALS和FTLD神经元功能障碍和变性的途径。

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TDP-43和hnRNP-A1的富含甘氨酸的结构域蛋白质序列比对显示为与TDP-43氨基酸编号相对应的氨基酸编号（顶部）。相同和相似的氨基酸残基被装箱，并分别用橙色和灰色着色。甘氨酸以红色突出显示，箭头指示TDP-43的错义突变及其相应的氨基酸变化。

A382TTARDBP公司错义突变是fALS和sALS患者中最常见的突变（表1). 尽管携带A382T突变的个体可能来自同一创始人(42)，同一核苷酸位置的另一个错义突变（G1144>C:A382P）表明该位点可能容易发生高突变率，从而导致ALS。TDP-43和hnRNP-A1的序列比对表明丙氨酸382不是高度保守的氨基酸；然而，第二常见的TARDBP公司突变G348C影响更保守的残基（图1). 事实上，大多数被鉴定为受TDP-43错义突变影响的甘氨酸残基在hnRNP-A1中是保守的。甘氨酸突变TARDBP公司集中在TDP-43的C末端的甘氨酸密度最高的区域（氨基酸275–310）（图1)进一步表明，该基序的基本功能受到这些导致ALS的突变的影响。

由于TDP-43蛋白病理学的特征包括TDP-43全长片段和C末端片段的超磷酸化、泛素化和聚集(2,10,11,57–59)提示TDP-43的特异性突变可能改变TDP-43磷酸化状态或增加TDP-43聚集。因此，三种错义突变，即S379C、S379P和S393L，可能是致病性的，因为它们消除了酪蛋白激酶i的磷酸化靶位点(42,49)因此，这意味着TDP-43在这些位点的磷酸化降低或受损可能在ALS的发病或进展中起到机制作用。相反，用丝氨酸或苏氨酸取代富含甘氨酸的结构域氨基酸的其他九种致病性错义突变预计会增加TDP-43的过度磷酸化状态(35,39,42). 此外，Q331K和N345K突变可能是致病性的，因为创造了新的泛素化靶点，而G348C和S379C突变可能通过增加TDP-43通过二硫键形成聚集的倾向而易患ALS(35). 尽管这些拟议的突变诱导TDP-43生物学变化是推测性的，需要进行实验检验，但它们说明了生成可测试假设的策略，以解释这些和其他与散发性和家族性ALS相关的TDP-43突变的致病后果。

ALS家族和患有sALS的个人在TARDBP公司根据El Escorial标准，所有基因均被诊断为ALS(60,61). 这些患者中的大多数表现为上下运动神经元均出现脊髓型ALS（50名患者中的37名）。发病时延髓肌肉症状较少见（50例患者中有13例）；然而，一些出现上下运动神经元受累的ALS患者随后在随访检查中出现了延髓症状。此外，三名无关患者携带TARDBP公司错义突变还表现为具有与FTLD一致的认知或行为损伤。科拉多等。(42)注意到一名携带G294V突变的fALS患者表现出认知障碍的迹象，而Benajiba的一项研究等. (47)报告了G295STARDBP公司两个有行为变异FTLD和语义痴呆诊断病史的家族中的错义突变。观察结果表明TARDBP公司在FTLD-MND患者中发现了错义突变，fALS和sALS形式进一步支持了TDP-43蛋白疾病代表一系列神经退行性疾病的观点(7).

患有TDP-43蛋白病的ALS患者存在TDP-43蛋白质病的生化和病理特征TARDBP公司错义突变。TDP-43蛋白病的标志性病理表现是TDP-43细胞质积聚并伴有不溶性C末端TDP-43片段(2,10). G298S和Q343R患者中枢神经系统组织的免疫组织化学分析TARDBP公司突变清楚地表明存在骨骼状、圆形和颗粒状神经元细胞质内含物以及TDP-43的核清除，这与sALS和FTLD-TDP中的TDP-43病理学没有区别（图2) (38,40,62). ALS患者淋巴母细胞系提取物的生化分级TARDBP公司突变显示出蛋白水解片段模式，这让人想起TDP-43蛋白病中观察到的～25 kDa C末端片段（表1) (37,39,41,42). 这些观察表明TARDBP公司在细胞培养系统中诱导TDP-43异常，这与在包括ALS和FTLD-TDP在内的TDP-43蛋白病中观察到的病理特征明显相似。

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对照组（左）、一名散发性ALS患者（中）和一名携带G298S突变的fALS患者的脊髓运动神经元中TDP-43的免疫组织化学染色表明，无论有无TARDBP公司错义突变是无法区分的。

一组良性TARDBP公司基因变异包括2个错义突变（A90V和D65E）、6个同义突变、7个5′-UTR突变、21个内含子突变和5个3′-UTRs突变TARDBP公司排序工作（表1). 尽管有一个同义突变（A315A），一个3′-UTRTARDBP公司在正常对照组中检测到突变和一个错义突变（A90V），大多数为良性TARDBP公司仅在ALS患者中观察到突变。此外，唯一特征明确的良性变异A90V可能值得考虑作为疾病的遗传风险因素，因为在体外突变体A90V TDP-43在细胞培养中的表达导致该TDP-43变异体的部分定位错误(63). A66A和A315A等特定同义突变的相对高频率反映了与疾病相关的特定核苷酸的高突变率。此外，据报道，一名在TDP-43等位基因中有G287S突变的sALS患者在其他等位基因上也有A315A沉默突变(42). 虽然同义突变对翻译蛋白没有明显影响，但众所周知，其他神经退行性MND，如脊髓性肌萎缩，是由运动神经元基因存活的同义突变引起的剪接和蛋白成熟缺陷引起的(64,65). 考虑到TARDBP公司基因突变是ALS的根本原因，看似良性的潜在生物影响TARDBP公司不应完全忽略变量。

随着上述数据的不断涌现，TDP-43蛋白病的功能丧失和毒性功能获得模型得到了体内和在体外实验。例如，使用鸡胚模型Sreedharan等. (37)结果表明，含有Q331K或M337V错义突变的TDP-43蛋白与转染WT TDP-43的雏鸡中不存在的胚胎生长缺陷有关。机制TARDBP公司突变对鸡胚模型中TDP-43功能的影响尚不清楚，但作者认为TARDBP公司突变诱导凋亡反应，导致鸡胚发育缺陷。然而，这种影响可能并不特定于TARDBP公司大鼠注射黑质中过度表达人WT TDP-43的腺病毒后发生的突变也显示出毒性的证据，表现为神经元凋亡缺失(66). TDP-43的毒性体内得到TDP-43分析的支持在体外，表明它通常容易聚集TARDBP公司错义突变Q331K与更大的聚集倾向有关(67).

为了支持TDP-43介导的神经退行性变功能丧失模型，一种缺乏TDP-43同源蛋白即TDBH的苍蝇模型表现出由人类TDP-43或TDBH修复的运动缺陷(68). 然而，自RNA剪接和hnRNP相互作用研究以来，尚不清楚与MND相关的TDP-43功能缺失是否与RNA剪接缺陷有关在体外表明错义突变TARDBP公司不要改变这些TDP-43活动(56). 然而，目前可能正在进行实验，以确定TARDBP公司突变可以挽救TDBH缺失株的运动表型。这些研究将不可避免地引发关于TDP-43异常在ALS和FTLD-TDP机制中的作用的进一步辩论。

最初确定的基因突变的一般属性TARDBP公司测序研究为了解MND中病理性TDP-43破坏的关键细胞功能奠定了基础。事实上TARDBP公司突变必将加快转基因小鼠模型的开发速度，在该模型中研究与病理性TDP-43相关的致病机制。尤其是外显子6和富含甘氨酸的结构域是TDP-43功能的关键组成部分。当前在体外和体内描述生物化学和病理特征的数据TARDBP公司突变重述了ALS、FTLD-MND和FTLD-TDP中观察到的病理特征。鉴于这些有希望的进展，我们预计，通过对与ALS和FTLD-MND相关的TDP-43基因突变的鉴定和进一步表征，将继续在理解TDP-43蛋白病的病理机制方面取得重大进展。

基金

CNDR在此总结的研究得到了美国国立卫生研究院的支持(AG10124、AG17586; 和培训补助金T32 AG00255号). V.M.-Y.L.是John H.Ware III阿尔茨海默病研究主席，J.Q.T.是William Maul Measey-Truman G.Schnabel，Jr，老年医学和老年学医学博士。

致谢

我们感谢神经疾病研究中心（CNDR）的Lionel Muller Igaz博士、Vivianna Van Deerlin博士和Maria Martinez-Lage博士提供了图中使用的图像2。作者想感谢我们患者的家属，他们使这项研究成为可能。

利益冲突声明。未声明。

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文章来自人类分子遗传学由以下人员提供牛津大学出版社