应激颗粒是ALS发病机制的坩埚

摘要

生活充满压力。真核细胞已经进化出复杂的策略来应对一连串的细胞应激，包括热休克、化学暴露、氧化应激，甚至老化(森本茂，2011). 在压力下，细胞的首要任务是保存能量，并将细胞资源用于生存和最终恢复。保存资源的一种方法是限制细胞mRNA的翻译，并专注于生产生存所需的基本蛋白质(林奎斯特，1981年). 在真核细胞中，实现这种转换的一种有效方法是将非翻译mRNA及其相关的RNA-结合蛋白快速组装成聚集状结构。这些结构称为RNP颗粒，包括加工体（P体）和应力颗粒（SG；安德森和凯德莎，2008年)。

RNP颗粒中mRNA的定位、修饰和衰变在细胞应激反应中起着关键作用(安德森和凯德莎，2008年). P-体和SG是非翻译mRNA以及参与翻译抑制和mRNA衰变的因子在翻译停滞或受阻时优先定位的位点。SG的形成是对各种阻碍翻译的环境压力（例如，热休克、葡萄糖缺乏、氧化应激等）的反应，可能代表翻译起始停滞的局部区域(Kedersha等人，2005年；Kwon等人，2007年；安德森和凯德莎，2008年). 事实上，SG可以通过药物抑制翻译起始、耗尽mRNA翻译起始因子或甚至过度表达某些RNA-结合蛋白来诱导(安德森和凯德莎，2008年)。

与SG一样，P-体也是RNP颗粒，在mRNA稳态中起关键作用(Jain和Parker，2013年). 与SG相反，P-体与翻译起始的调控无关，而是代表mRNA降解、翻译抑制、非翻译mRNA和RNA-结合蛋白的位点。P-体介导mRNA衰变，包括非传感介导衰变（NMD），以及RNA干扰，其作用是作为RNA加工成分（如RNA去盖机制，包括去盖酶DCP1/2）的共定位位点；去帽Dhh1/RCK/p54、Pat1、Scd6/RAP55和Edc3的激活剂；Lsm1-7复合体；和核酸外切酶Xrn1(Parker和Sheth，2007年). RNAs和RNA-结合蛋白对RNP颗粒的动员受到差异调节(Jain和Parker，2013年；Shah等人，2013年)在受到各种细胞应激源的诱导后。虽然SG和P-体是RNA-RNP定位的不同焦点，但它们可以通过物理相互作用促进RNA和蛋白质物种从一个空间定位的隔间穿梭到另一个。因此，SG和P-体的形成是强大的保护机制，通过这些机制，真核细胞可以在从环境压力中生存时动态地对RNA代谢进行分类(Anderson和Kedersha，2008年)。

如何构建SG：具有朊蛋白样结构域的RNA-结合蛋白的作用

为了应对意外的细胞应激，RNP颗粒迅速形成（在几分钟内），以将mRNA损伤降至最低(图1；Chernov等人，2009年；Buchan等人，2011年). RNA-结合蛋白及其相关RNAs是如何结合形成SG的？有趣的是，许多SG-和P-体相关的RNA-结合蛋白含有朊病毒样结构域(Gilks等人，2004年；Couthouis等人，2011年,2012；Gitler and Shorter，2011年；King等人，2012年；Kim等人，2013年). “类朊蛋白结构域”只是指氨基酸组成与酵母朊蛋白类似的蛋白质结构域，它使各种酵母朊病毒蛋白质（如Sup35或Rnq1）能够进入朊蛋白状态(King等人，2012年). 朊病毒是一种能够形成感染性淀粉样构象的蛋白质，它们可以自我模板化自己的组装(图2，步骤a–d）。朊病毒可以将可遗传的表型变化从一个细胞传递到另一个细胞，在个体之间，甚至在物种之间(Shorter和Lindquist，2005年；科尔比和普鲁辛纳，2011年). 在哺乳动物中，朊病毒是导致致命海绵状脑病的病原体。有趣的是，酵母细胞可以使用类似的自模板朊病毒机制传播感染性表型，这些表型有时甚至是有益的，使酵母细胞能够适应和应对不同的环境条件(Shorter和Lindquist，2005年；Malinovska等人，2013年)。

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图1。

SG和P-体是RNA分类的位点。暴露于细胞应激可引发应激反应，延缓翻译启动，导致SG的形成。SG是动态细胞质RNA-蛋白质复合物，包含RNA-结合蛋白、mRNAs和翻译起始因子。当压力暴露消失时，SG分解，mRNA翻译恢复。非翻译mRNAs也可以直接作用于P-体，这是一种独特的RNA-蛋白颗粒，是翻译停滞和mRNA降解的位点。SG和P-体受到不同的调节并独立形成，但它们可以而且经常相互作用。TDP-43、FUS和其他RNP（例如，TAF15、EWSR1、hnRNPA1和hnRNPA2B1）主要位于细胞核中，但压力暴露可触发其向SG的招募。关于招募TDP-43、FUS和其他SG的影响，请参阅图3。

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图2。

朊蛋白和类朊蛋白结构域编码不同的构象状态和折叠轨迹。通常，朊病毒和类朊病毒域（用蓝色、绿色和红色表示）填充由可溶的固有未折叠单体和熔融低聚物组成的动态平衡（步骤a）。这些熔融的低聚物随后会演变成多种构象状态。在一个轨迹中，熔融的低聚物重组为结构更为结构化的淀粉样低聚物（步骤b），最终转化为稳定的淀粉样形式（步骤c），其可以自模板组装（步骤d）并变得具有感染性（即朊病毒）。淀粉样低聚物也可以聚集形成大的病理聚集物（步骤e），其可能缓慢转化为淀粉样物质（步骤f）。或者，熔融低聚物可以分解成具有动态交叉β结构的部分结构化形式，这些结构表现出类似液体的性质（步骤g），并且可以进一步重排成具有类似凝胶性质的不稳定交叉β原纤维（步骤h）。这些液体和凝胶状集体可能是各种非膜结合细胞器的关键结构成分，包括SG和核宝石。重要的是，这些向液体和凝胶状结构的转变很容易可逆（步骤a、g和h）。然而，我们认为，这些结构也容易变形为淀粉样低聚物（步骤i）、病理性非淀粉样聚集体（步骤j和k），甚至与神经退行性疾病相关的稳定的自模板淀粉样蛋白（步骤l）。

绝大多数已知酵母朊蛋白的一个统一特征是存在模块化朊蛋白结构域(Wickner等人，2000年). 该结构域使附加到其上的蛋白质能够形成自模板淀粉样纤维(图2，步骤a–d；Li和Lindquist，2000年). 进入聚集态或朊病毒形态通常会导致蛋白质功能的降低。重要的是，这些聚集相关表型是可逆的，复杂的解聚机制有助于调节朊病毒聚集物的分解(格洛弗和林德奎斯特，1998年；Shorter和Lindquist，2004年；Cashikar等人，2005年)。

引人注目的是，许多组成SG和P-体的RNA-结合蛋白含有朊病毒样结构域。在含有经验证或预测的朊病毒结构域的前100种酵母蛋白中，约10%含有RNA-rerecognition motif（RRM）结构域，约24%带有“RNA结合”的基因本体（GO）注释，其中一些已被证明有助于SG和P-body的形成。在人类蛋白质组中，有～250个蛋白质具有计算预测的朊蛋白样结构域(King等人，2012年)其中约12%含有RRM结构域，约20%以RNA结合的GO加入注释(表1). 除了RNA结合和密切相关的类别外，富含朊蛋白样结构域蛋白质的其他功能类别包括染色体组织（GO:0051276）、胚胎发育（GO:0009790）和蛋白结合转录因子活性（GO:0000988；GO-Slim类别，基因<1000，富集p值<10⁻⁵即使排除了RNA-结合蛋白，也要进行Fisher精确测试）。朊蛋白样结构域在RNA-binding蛋白中的显著过度表达强烈表明该结构域在RNA结合蛋白功能中起着重要作用。事实上，朊病毒样结构域是RNA结合蛋白部署的理想工具。由于它们能够自我结合，这些结构域赋予了快速结合形成P体和SG的能力，实际上还有许多其他RNP颗粒，它们在RNA代谢的许多方面充当“坩埚”(Gilks等人，2004年). 例如，哺乳动物SG形成所需的一种RNA-结合蛋白TIA1包含一个驱动SG组装的朊蛋白样结构域(Gilks等人，2004年). 此外，从Lsm4和Pop2中删除朊蛋白样结构域会降低它们在酵母中P小体中积累的能力(Reijns等人，2008年)。

表1。

具有朊病毒样结构域的人类RNA结合蛋白

蛋白质	RRM域（Pfam PF00076）	RNA结合（GO:0003723）	朊病毒域得分	朊病毒域排名	P机构和/或SG？	神经变性疾病？
TNRC6A型	−	+	42.1	9	+
保险丝	+	+	38.5	12	+	ALS、FTLD
ATXN1型	−	+	35.5	15		SCA1公司
TAF15型	+	+	33.2	22	+	ALS、FTLD
EWSR1号机组	+	+	32.3	25	+	ALS、FTLD
HNRPDL公司	+	+	31.5	27
HNRNPD公司	+	+	30.7	29.5
HNRNPA2B1号机组	+	+	29.9	32	+	IBMPFD公司
ILF3级	−	+	29.8	33
HNRNPUL1号机组	−	+	28.5	37
HNRNPA1公司	+	+	28.2	38	+	IBMPFD、ALS
HNRNPAB公司	+	+	27.8	39
HNRNPA3号机组	+	+	27.2	41	+	C9或72 ALS/FTLD
TARDBP公司	+	+	26.5	43	+	ALS、FTLD
HNRNPU公司	−	+	24.9	49
TIA1公司	+	+	23.4	53	+	韦兰德远端肌病
HNRNPA1L2公司	+	+	22.8	57
HNRNPH1号机组	+	+	22.2	63
DDX5型	−	+	21.2	73	+
PSF公司	+	+	20.8	79		FTLD公司
HNRNPA0公司	+	+	20.5	81
HNRNPH2型	+	+	17.5	101
DAZ2公司	+	+	16.2	119
RBM14型	+	+	16	122
CSTF2（CSTF2）	+	+	15.7	126
TNRC6C公司	−	+	15.4	128	+
SOX2标准	−	+	15	135
首都1	−	+	14.9	136	+
德罗莎	−	+	14.8	137
DDX17型	−	+	14.8	139
DAZ3公司	+	+	14.6	144.5
DAZ2型	+	+	14.6	144.5
DAZ1型	+	+	14.1	148
HNRNPH3号机组	+	+	14	151
CSTF2T型	+	+	14	153
CELF4号机组	+	+	13.8	156
TIAL1公司	+	+	13.6	162	+
RBM33型	+	+	12.9	178
DLX2型	−	+	12.5	188
DAZAP1公司	+	+	11.7	203
SUPT6H公司	−	+	11.6	206
ATXN2型	−	+	10.2	227	+	SCA2、ALS
DHX9型	−	+	10.1	230
PSPC1型	+	+	10	231
GAR1公司	−	+	9.4	235
SF1气体	−	+	9.4	236
FUBP1型	−	+	9.2	237
EIF4G3型	−	+	8.5	243	+
EIF4G1型	−	+	8.3	246	+	PD公司

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49个人类RNA-binding蛋白（包含Pfam RRM[PF00076]和/或用RNA-binting的GO术语[GO:0003723]注释）也含有预测的朊病毒样结构域。朊病毒评分，基于Alberti等人（2009年），表示在隐马尔可夫模型解析为类朊病毒的区域中包含的任何60个连续氨基酸窗口中，类朊蛋白氨基酸组成与非类朊基因氨基酸组成的最大对数似然比。朊病毒结构域排名来自21873种人类蛋白质，其中250种蛋白质的朊病毒评分为阳性。P机构或SG的本地化基于文献搜索，尤其是Buchan和Parker（2009）指出了某些蛋白质与人类疾病的联系。

带有朊蛋白样结构域的RNA-binding蛋白质能够利用其RNA-bining结构域（如RRM、KH）招募靶mRNAs，然后利用其朊蛋白类结构域将其四舍五入为RNP颗粒，等待细胞应激消退。朊蛋白样聚集的可逆性使RNP颗粒在压力消散时迅速解离，释放隔离的mRNA和翻译机制以恢复其正常功能。驱动SG分解的精确机制尚待完全阐明，应该注意的是后生动物缺乏Hsp104的直接同源物，Hsp104可以驱动朊病毒在酵母中快速溶解(Shorter和Lindquist，2004年). 然而，在SG的背景下，朊蛋白样结构域是否获得高度稳定的淀粉样蛋白形式尚不清楚(图2). 事实上，一些RNA-结合蛋白的朊蛋白样结构域具有更不稳定和动态的交叉-β结构，可以通过朊蛋白类结构域中丝氨酸残基的磷酸化进行严密调控(图2，步骤a、g和h；Sun等人，2011年；Han等人，2012年；Kato等人，2012年). 重要的是，这些不稳定的纤维组合能够实现向水凝胶结构的相变，水凝胶结构能够保留形成凝胶的蛋白质所特有的RNAs和RNA-结合蛋白(Han等人，2012年；Kato等人，2012年). 在秀丽隐杆线虫，P颗粒表现出类似液体的行为，包括滴落、润湿、融合、快速溶解和冷凝(Brangwynne等人，2009年). 更广泛地说，多种多价大分子（包括多域蛋白质和RNA）之间的相互作用可以引发急剧的液-液分层相变，从而在水溶液中产生微米级的液滴，这也可以通过磷酸化进行调节(Li等人，2012年). 这些相变可能支持RNP颗粒的生物发生，并代表了细胞质中组织非膜结合隔室的基本机制(图2，步骤a、g和h；Hyman和Simons，2012年；Weber和Brangwyne，2012年). 类似的自组织事件支持亚核细胞器的从头形成，如Cajal小体(Kaiser等人，2008年；Shevtsov和Dundr，2011年). 值得注意的是，某些与神经退行性疾病相关的RNA-结合蛋白，如TDP-43和FUS，也需要形成核宝石，即可能参与小核RNP（snRNP）生物发生并在肌萎缩侧索硬化症（ALS）中丢失的亚核细胞器；Yamazaki等人，2012年；Tsuiji等人，2013年)。

通过部署朊病毒样结构域快速形成RNP颗粒的能力并非没有代价。事实上，相变为水凝胶状结构的能力也可能同时增加形成更难处理的致病性聚集物的倾向(图2，步骤i–l）。至少有两种携带朊病毒样结构域的RNA-binding蛋白TDP-43和FUS，在突变或亚细胞定位和聚集不受控制时，可能导致致命的人类神经退行性疾病。而且，如下文所述，这两种蛋白质可能只是与神经退行性疾病相关的聚集蛋白RNA-结合蛋白的冰山一角(King等人，2012年)。

ALS是一种相当常见的神经退行性疾病，由大脑和脊髓运动神经元的选择性丢失引起(克利夫兰和罗斯斯坦，2001年). 通常情况下，这种神经变性会在确诊后2-5年内导致瘫痪和死亡。与其他几种神经退行性疾病一样，ALS患者退化的神经元以蛋白质聚集为特征(Forman等人，2004年). 2006年，人们发现许多内含物的主要蛋白质成分是43-kD TAR-DNA结合蛋白（TDP-43；Arai等人，2006年；Neumann等人，2006年). TDP-43是一种DNA和RNA结合蛋白，具有两个RRM和一个C末端朊蛋白样结构域，也被称为富含Gly结构域(Cushman等人，2010年). TDP-43通常定位于细胞核，在细胞核中调节剪接和mRNA稳定性(Lagier-Tourenne等人，2010年；达克鲁兹和克利夫兰，2011年). 在ALS患者退化的神经元和胶质细胞中，TDP-43从细胞核中耗竭并积聚在大的细胞质聚集体中。TDP-43还经历了几种疾病特异性翻译后修饰，包括过度磷酸化、泛素化和分裂(Kwong等人，2007年). 由于TDP-43既从细胞核中耗尽又在细胞质聚集体中积累，这就提出了一个问题，即TDP-43核功能的丧失、细胞质中毒性功能的增加或两者的某种结合是否会导致疾病(图3). 在发现TDP-43在ALS病理损伤中的主要作用后不久，2008年，人类遗传学家将注意力集中在TDP-43基因上(TARDBP公司)，在散发性和家族性ALS患者中鉴定了30多种不同的TDP-43突变(Lagier-Tourenne等人，2010年). 这些发现加上TDP-43上病理学和遗传学的融合，彻底革新了ALS研究，并将注意力集中在RNA-结合蛋白和RNA加工途径上(Lagier-Tourenne等人，2010年). 除ALS外，TDP-43还被发现是在一大群额颞叶变性（FTLD）患者中发现的细胞质内含物的蛋白质组成部分，事实上，该亚型现在被归入FTLD-TDP分类(Mackenzie等人，2011年)。

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图3。

TDP-43和FUS在发病过程中如何与SG相互作用。（A） 在正常神经元中，TDP-43和FUS定位于细胞核，SG正常形成和消散。在ALS发病过程中，TDP-43或FUS定位变得异常，并可能以几种不同（非互斥）的方式与SG结合：（B）TDP-43和FUS从细胞核中退出，并开始在细胞质中积聚为前内含物，在那里它们与SG相互作用并可能共定位。在这里，TDP-43和FUS可能被激酶、蛋白酶和泛素修饰酶修饰，这些酶都存在于SG中。这些病理改变可加速TDP-43和FUS聚集或阻止其返回细胞核。因此，SG可以作为TDP-43和FUS聚合的专用管道。Ubi，泛素。（C） 细胞质中TDP-43和FUS聚集可能会干扰SG功能，可能是因为干扰了它们调节靶向这些结构的RNA的能力。（D） 细胞核中可能需要TDP-43和FUS来调节SG基因，因此，细胞核中的缺失可能导致SG基因的失调，并降低SG的形成和功能。

几乎在确定TDP-43突变是ALS的病因后不久，另一种与TDP-43极为相似的RNA-结合蛋白与ALS的发病机制有关。中的突变保险丝（在肉瘤中融合；也称为TLS公司在家族性和散发性ALS患者中发现(Lagier-Tourenne等人，2010年). 与TDP-43一样，FUS通常是核蛋白，ALS引起的FUS突变导致细胞质FUS积聚。有趣的是，这些包裹体不含TDP-43，TDP-43包裹体不含有FUS(Vance等人，2009年)。

一些神经退行性疾病中出现了一个迷人且可能具有革命性的新概念。它涉及蛋白质聚集体在疾病发生和发展过程中从细胞到细胞以及从一个大脑区域到另一个区域的传递或传播(Aguzzi和Rajendran，2009年；Cushman等人，2010年；弗罗斯特与钻石，2010). 令人信服的体外和体内实验证据表明，不同的神经退行性疾病蛋白能够进入细胞，寻找同源蛋白，并将其转化为聚合构象的模板。这种类似于“树干-树干”的传播形式有助于解释疾病病理学是如何在疾病进展过程中从大脑的震中出现并沿着解剖上相互连接的大脑区域传播的(Braak等人，2003年；Ravits和La Spada，2009年). 还应注意的是，疾病病理最初发生在断开的大脑区域的病例并不一定排除朊病毒样的传播机制。起源于不连续脑区的病理学可以代表独立的核化位点，病理学可以从中传播。因此，即使是起源于不同部位的病理学也可能是由朊核形成引起的，然后增殖。

但是神经退行性变朊病毒样传播的分子基础是什么？这些蛋白质如何以及如何获得能够募集并模板化非聚集蛋白转化为改变的疾病相关构象的改变的构象？真菌中的朊病毒蛋白通过使用朊病毒结构域来实现这一点(图2，步骤a–d）。这些结构域通常富含不带电的极性氨基酸（如天冬酰胺、谷氨酰胺和酪氨酸）和甘氨酸(Alberti等人，2009年；King等人，2012年). 基于酵母朊蛋白中朊蛋白结构域的显著特征，生物信息学方法最近在TDP-43（氨基酸277–414）的C末端结构域和FUS（氨基酸1–239；Cushman等人，2010年). 这些结构域中的疾病相关突变可能通过增加TDP-43或FUS的聚集倾向而导致疾病。事实上，与ALS相关的TDP-43突变Q331K和M337V属于朊蛋白样结构域，直接加速了TDP-43的错误折叠(Johnson等人，2009年)。

除了TDP-43和FUS，人类蛋白质组中还有40多个额外的RNA-结合蛋白也含有预测的朊蛋白样结构域(表1)增加了这些蛋白也可能导致ALS和相关神经退行性疾病的有趣可能性(King等人，2012年). 事实上，TAF15和EWSR1现在与ALS和FTLD相关，在退化神经元的细胞质中发现它们聚集(Couthouis等人，2011年,2012；Neumann等人，2011年). TAF15和EWSR1的突变与散发性ALS有关，并加速体外纯蛋白的错误折叠(Couthouis等人，2011年,2012). 此外，在一部分FTLD病例中，PSF异常定位于少突胶质细胞的细胞质，并形成不溶于洗涤剂的结构(Seyfried等人，2012年). TIA1是SG形成的关键蛋白，其突变最近被发现是Welander远端肌病的病因，这是一种成人发病的常染色体显性疾病，与远端肢体无力有关(Klar等人，2013年). hnRNPA1和hnRNPA2/B1的朊蛋白样结构域的突变导致家族性包涵体肌病，伴有额颞痴呆、佩吉特骨病和ALS（有时称为“IBMPFD/ALS”），而hnRNPAl的朊基因样结构域突变也与家族性和散发性ALS有关(Kim等人，2013年). hnRNPA1和hnRNPA2/B1的朊蛋白样结构域中的疾病相关突变引入了一个强大的立体拉链，它可以形成两个自互补的β片，组成淀粉样纤维的脊椎(Sawaya等人，2007年). 突变的立体拉链失调并加速了hnRNPA1和hnRNPA2/B1的错误折叠(Kim等人，2013年). 事实上，这些突变可能使hnRNPA1和hnRNPA2/B1偏离与RNP颗粒组装相关的生理折叠轨迹(图2步骤a、g和h）并促进病理性淀粉样蛋白形式的形成(图2，步骤a–d）。最后，最近发现定位错误的hnRNPA3是ALS和FTLD患者细胞质内含物的一种成分C9或72六核苷酸重复扩增(Mori等人，2013年). 总的来说，这些发现表明，带有朊蛋白样结构域的RNA-binding蛋白处于悬崖边缘，可能崩塌导致毁灭性的神经退行性疾病。

在TDP-43、FUS和更多RNA-结合蛋白中发现的朊蛋白样结构域提出了一个难题：如果这些蛋白的朊病毒样结构域直接导致其功能障碍并导致致命的神经退行性疾病，为什么这些结构域在进化过程中如此高度保守？似乎这些蛋白质的聚集-预防性质得到了利用，以便它们能够执行基本的细胞功能，例如在细胞应激情况下能够快速结合形成SG(图2，步骤a、g和h）。

TDP-43和FUS不仅具有似乎介导病理性蛋白质聚集的朊病毒样结构域，而且这两种蛋白质都含有保守的RRM。TDP-43和FUS的RRM有助于这两种蛋白质定位于SG和P-体(科伦布里塔等人，2009年)也可能与朊蛋白样结构域协同促进聚集。这种相互作用对于RNA稳定性、加工和衰变的生理调节以及病理性细胞应激反应至关重要。例如，细胞质TDP-43内含物在培养细胞和原代神经元中与几个SG标记物（例如TIA-1、TIAR）共定位，以应对细胞应激，并在ALS和FTLD患者的死后样本中(Liu-Yesucevitz等人，2010年；Wolozin，2012年). 除ALS和FTLD外，TIA-1已被证明与tau相互作用，并在阿尔茨海默病和其他tau病中定位于神经原纤维病理学(Vanderweyde等人，2012年)。

TDP-43和FUS是核蛋白，在应激诱导时可以快速穿梭到细胞质。一旦进入细胞质，它们就会迅速与SG结合(Ayala等人，2008b；Dormann等人，2010年). 在正常细胞中，一旦引发的压力消除，SG溶解，TDP-43和FUS返回细胞核。因此，TDP-43和FUS的核-细胞质穿梭以及它们与细胞质SG的关联是生理和可逆的过程。

然而，在病理条件下，TDP-43和FUS的核-细胞质穿梭变得异常，可能是由于不同的遗传和环境因素，甚至可能是老化本身。例如，ALS-连锁TDP-43突变促进突变TDP-43的持续细胞质聚集并导致SG关联增加(图3)，在应力诱导后似乎不可逆(Liu-Yesucevitz等人，2010年). 事实上，野生型（WT）TDP-43也容易局限于SG，并进入严重压力后不易清除的聚集结构(Parker等人，2012年). 表达突变TDP-43的细胞显示SG形成减弱或SG组装异常(Liu-Yesucevitz等人，2010年；McDonald等人，2011年). 虽然TDP-43似乎对SG的形成没有必要，但已证明WT TDP-43的siRNA敲除可显著降低SG的平均尺寸，并认为TDP-43可能在SG组装过程中发挥直接作用(McDonald等人，2011年)。

与TDP-43一样，FUS也证明了应力诱导的SG定位，与ALS相关的FUS变体更容易定位到SG隔间(Bosco等人，2010年；Dormann等人，2010年；Gal等人，2011年；Sun等人，2011年). 事实上，有人提出FUS突变促进ALS的机制可能与FUS在细胞质中的错误定位直接相关，从而导致与SG的异常相互作用，进而导致SG生理失调(Bosco等人，2010年；Sun等人，2011年). 大多数真正引起ALS的FUS突变集中在FUS末端C末端结构域的一个小区域，该区域编码PY-NLS基序(Dormann等人，2010年；Zhang等人，2012年). 该基序对于FUS核定位是必要的，也是充分的，FUS中最具致病性的突变对与核导入因子核蛋白-β2结合以及随后的FUS核的定位有最严重的影响(Dormann等人，2010年；Zhang等人，2012年). 最具攻击性的ALS-连锁FUS突变，如P525L和R495X（可去除整个PY-NLS），与ALS发病年龄较早有关，导致FUS完全定位于细胞质，并严重干扰与核蛋白-β2的结合(Dormann等人，2010年；Zhang等人，2012年). 一旦FUS开始在细胞质中积累，它就更倾向于与SG结合，而各种环境压力加剧了这一过程(Dormann等人，2010年；图3)。

FUS和TDP-43突变导致ALS/FTLD的分子机制尚不完全清楚。在ALS患者神经元中与SG共定位的TDP-43或FUS阳性亚细胞聚集物的形成支持了这样一种假设，即含有RRM的蛋白质在ALS病理生理学中起着关键作用(图3). 细胞核中TDP-43/FUS的缺失或其对SG的细胞质定位增加可能是ALS的关键途径。因此，在ALS病理生理学的背景下，仍然存在两个核心问题：（1）TDP-43和FUS的突变是否会导致这些蛋白质功能的丧失或获得？和（2）改变SG组件是TDP-43和FUS定位错误的后果还是原因？这些问题的答案将增强我们对ALS的机制性理解，并有助于指导潜在治疗策略的开发。

已经提出了几个模型来解释FUS、TDP-43和SG生物学在ALS/FTLD发病机制中的作用。我们将简要强调支持三种假设的证据，这三种假设并不相互排斥，它们甚至可能在ALS和FTLD的特定病例中以不同程度的协同作用。

Ataxin 2是另一种与SG相关的RNA-结合蛋白，可导致神经退行性疾病(Elden等人，2010年；Orr和Zoghbi，2007年). 共济失调2与多聚A结合蛋白（PABP1）相互作用，调节mRNA多聚腺苷化，是SG组装所必需的(Kaehler等人，2012年). 共济失调2含有一个聚谷氨酰胺（polyQ）束，是polyQ疾病蛋白家族的成员，其中包括亨廷顿病蛋白亨廷顿蛋白。ataxin 2 polyQ域通常包含22或23个Q。PolyQ束扩张>34Q导致脊髓小脑共济失调2型（SCA2），一种常染色体显性遗传性共济失调(Orr和Zoghbi，2007年). 有趣的是，ataxin 2最近被证明与TDP-43以RNA依赖的方式相关，并在多模型系统中改变TDP-43的细胞毒性(Elden等人，2010年). 共济失调2蛋白在ALS患者退化运动神经元的离散病灶中异常积聚，这些结构可能代表SG并含有其他关键SG成分。Ataxin 2也通过遗传学与ALS相关。中等长度的ataxin 2 polyQ扩增（27–33个Qs）比正常长但未超过SCA2阈值，最近与ALS风险增加相关(Elden等人，2010年). 总之，这些发现表明了ALS和SCA2疾病之间的机制联系，并暗示了SGs的关键组成部分，即ataxin 2在疾病发病机制中的作用。通过推测ALS和相关神经退行性疾病的发病机制可能与SG形成途径密切相关，也很容易解释这些发现。

ataxin 2的不同突变（长与中长度polyQ扩增）如何导致SCA2与ALS的不同表型结果？一种可能的解释是，ataxin 2中的中等长度polyQ扩增导致应激诱导的caspase激活增强，从而导致TDP-43病理改变增加，包括分裂和过度磷酸化(图4). 令人惊讶的是，无论是正常长度还是长的SCA2长度polyQ扩展都不会导致这种类型的应力响应(Hart和Gitler，2012年). 鉴于ataxin 2在SG组装和功能中的关键作用，以及polyQ扩增增强ataxin 2中和TDP-43之间相互作用的能力，ataxin 1可以将TDP-43与SG和ALS发病机制联系起来的一种方式是促进TDP-43向SG的招募。一旦与SG结合，TDP-43将接触激酶、蛋白酶和泛素修饰酶，所有这些都是SG动力学的调节器。这可能增加一种或多种酶使TDP-43发生磷酸化、分裂和泛素化等修饰的可能性，这些都是疾病中TDP-43病理学的特征(Neumann等人，2006年)。

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图4。

ataxin 2 polyQ扩增如何影响ALS患者的SG。Ataxin 2是SG的一种成分，是其形成和功能所必需的。脊髓小脑共济失调2和ALS的基础是ataxin 2中致病性polyQ扩增。（A） SG形成于细胞应激。ataxin 2 polyQ长度通常为22Q。当应力消散时，SG溶解。（B） 在存在致病性ataxin 2 polyQ扩增的情况下，SG可能更难溶解，这可能是由于ataxin 2中稳定性增加所致。持续性SG更有可能与细胞质中的TDP-43或FUS结合（TDP-43和FUS通常穿梭于细胞核内外）。因此，TDP-43或FUS与SG的相互作用增加可能导致病理修饰增强，导致TDP-43或FUS聚集物的形成。

共济失调蛋白2中的polyQ扩增可能导致ALS的另一种方式是阻碍SG正确溶解的能力和/或降低TDP-43返回细胞核的效率(图4 B)累积效应是TDP-43更容易在细胞质中异常累积。这一概念表明，ALS的发病机制深深植根于基础细胞生物学，更好地了解SG组装和分解的调节器可以为疾病机制提供新的见解，并提出新的治疗方法。

最后，ataxin 2和SG在感知和应对环境压力方面的作用可能有助于解释环境暴露（包括创伤性损伤）与ALS和相关神经退行性疾病发病机制之间的联系。在暴露于应激状态下，TDP-43、FUS和其他RNA结合蛋白从细胞核移动到细胞质，并与含有ataxin 2的SG结合(Bosco等人，2010年；Dormann等人，2010年；Liu-Yesucevitz等人，2010年). 一旦压力消退，SG不再聚集，RNA-结合蛋白转回细胞核。在一生中，这种重复的聚集和解聚循环，当暴露于特定的环境暴露和创伤时，可能会变得不正常，并可能导致一种或多种蛋白质的细胞质定位不当。未能恢复这些蛋白的核定位可能导致随后的疾病病理学(图4). 细胞蛋白质平衡中的年龄依赖性分解可能导致维持SG蛋白质量控制的进一步缺陷，并可能支持疾病的迟发性。在具有ALS遗传风险因素的个体中，如中等长度的ataxin 2 polyQ扩增，对此类压力的致病反应阈值可能低于正常值。对接触性运动运动员和军事人员进行遗传风险因素（如ataxin 2 polyQ扩增）的基因筛查，可能是预先筛选可能因此类损伤而面临更严重临床后果风险的个体的重要方法。

ataxin 2、TDP-43和SG生物学之间的这种联系阐明了ALS和相关疾病的发病机制可能与古老的核心细胞生物途径（SG形成）密切相关的概念，并提出了针对SG的治疗干预的可能性。首先，确定促进招募FUS和TDP-43加入SG的因素可能是有用的。如果主要聚集因子和FUS或TDP-43之间的相互作用的特定抑制剂能够被识别，这可能具有治疗潜力。有趣的是，Liu-Yesucevitz等人（2010）最近的研究表明，稳定表达的WT和突变的TDP-43可以与TIA-1在HEK293细胞中共免疫沉淀。此外，这种相互作用似乎是RNA-依赖性的，因为RNase处理消除了这种相互作用(Liu-Yesucevitz等人，2010年). 此外，消除TDP-43的第一个或两个RNA-结合结构域可以减少基础聚集(Liu-Yesucevitz等人，2010年). SGs的FUS招募明显依赖于RNA，因为一个缺乏RNA-binding结构域的工程FUS突变体对亚砷酸盐的反应显示TIA-1定位水平较低(Bentmann等人，2012年). 阻断这种相互作用可能会阻碍SG定位并缓解疾病。

一些新出现的联系将SG组装和RNA结合蛋白与朊蛋白样结构域联系在一起，从而导致神经退行性疾病(Gitler和Shorter，2011年；King等人，2012年；Wolozin，2012年；表1). 这一趋同表明，可能会开发出共同的解决方案来缓解几种疾病的发病机制，包括某些形式的ALS，这些疾病是由功能失调的RNA和蛋白质蛋白质平衡引起的。例如，尽管FUS和TDP-43在很大程度上控制着不同前mRNA的剪接(Polymenidou等人，2011年；Lagier-Tourenne等人，2012年)，有少数基因的表达水平取决于TDP-43或FUS，包括PARK2、KCNIP4和SMYD3，它们对神经元的生存和功能至关重要(Lagier-Tourenne等人，2012年). 同样，TDP-43的遗传修饰物和酵母中的FUS毒性几乎没有重叠，但也有例外(Elden等人，2010年；Sun等人，2011年；Armakola等人，2012年). 我们预计，模型生物将在确定纠正缺陷RNA和蛋白质蛋白质组的常见解决方案方面发挥重要作用，这对于开发具有广泛疗效的药物至关重要。

致谢

脚注

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