mRNA轉錄后調控異常在阿爾茨海默病發病機制中的研究進展

孫靜瑤，佟偉民，牛亞梅

(中國醫學科學院基礎醫學研究所 北京協和醫學院基礎學院 病理學系， 北京 100005)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是各種癡呆中最常見的一種病癥，臨床上主要表現為記憶、認知功能障礙以及其他行為和精神癥狀，給家庭和公共衛生帶來沉重的經濟負擔[1]。因此，亟需闡明AD的發病機制、并進而研發有效的診治手段。

迄今為止，多項DNA層面上的研究已在編碼淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein, APP)、早老素1(presenilin 1, PSEN1)和早老素2(presenilin 2, PSEN2)的基因中鑒定出與早發型AD發生有關的基因突變、同時也鑒定出多個與晚發型AD發病有關的風險基因[2]。蛋白質層面的研究則發現β-淀粉樣肽(β-amyloid peptides, Aβ)沉積導致的淀粉樣斑塊[3]和微管相關蛋白tau(microtubule associated protein tau, MAPT)異常磷酸化導致的神經纖維纏結[4]是AD的主要病理特征。轉錄后調控是RNA轉錄生成之后包括轉錄、剪接、出核、翻譯等多個環節在內的一系列調控事件，這一過程的正常進行是確保該基因生物學功能得以正常發揮的必要前提之一，其中任一環節異常均有可能導致疾病的發生。N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine，m6A)是mRNA上最為常見的表觀轉錄修飾，而且在腦組織中高豐度存在[5]，幾乎參與調控mRNA代謝過程的每個環節，因此推測m6A甲基化失衡也可能與AD發生相關。本文在此總結了迄今已報道的AD發生過程中出現的各種mRNA轉錄后調控異常，并根據現今RNA表觀轉錄調控領域的發展提出了研究AD發病機制新的方向。

1 mRNA的選擇性剪接

選擇性剪接(alternative splicing)是真核生物中一種重要的mRNA轉錄后調控模式，在神經系統中尤為普遍，并與包括AD在內的多種神經系統疾病的發生有關[6]。

AD中淀粉樣斑塊與神經元纏結的形成即與mRNA選擇性剪接調節的異常密切相關。APPRNA含有18個外顯子，其選擇性剪接產物主要有3種形式：表達包含所有外顯子的APP770、缺少外顯子8的APP751和缺少外顯子7、8的APP695，其中APP695在神經元中表達豐富，但在AD患者腦中表達下降，而APP770則表達增加，這可能與神經元ELAVL蛋白家族的調節有關[6]。APP代謝相關基因的mRNA剪接異常也參與AD的發生，如剪接調節因子hnRNPA2/B1的表達降低可導致β-分泌酶BACE1基因的異常剪接[7]，一些早發型AD病例的研究也發現PSEN1或PSEN2中突變引起的剪接異常可導致蛋白質功能喪失[2]。MAPT基因由16個外顯子組成，其選擇性剪接可產生6種亞型，其中按照外顯子10的剪接分為含有3個微管重復結構域的3R-tau和含有4個微管重復結構域4R-tau，在成人正常腦組織中二者比例約為1∶1，但在AD患者中這一比例失調[8]。

另外，許多AD風險基因也存在剪接的失調。載脂蛋白EAPOE有3種類型的等位基因變異體，攜帶等位基因APOEε4的個體其Aβ的清除率低，AD發病風險增高顯著，是AD最主要的風險基因[1]。APOE有包含外顯子1的APOE-001、APOE-002和不包含外顯子1的APOE-005共3種剪接亞型，后者在顳葉中上調而前者下調[1]。AD的另一風險基因TREM2在腦中也存在多種不同的轉錄本，其中包含全部5個外顯子和僅缺少外顯子5的蛋白產物通過跨膜結構域定位在細胞膜上，而缺少外顯子4的轉錄本編碼可溶性的TREM2在AD患者腦脊液中呈升高現象，這可能是由跨膜蛋白的裂解或不同轉錄本表達改變導致[9]。

剪接因子等RNA結合蛋白在選擇性剪接過程中發揮重要的作用，如MAPTmRNA的剪接即受到SC35和ASF/SF2蛋白等多種SR剪接因子的復雜調控，通過此途徑可影響tau亞型的比例并改變小鼠的認知功能[8]。已有研究嘗試利用反義寡核苷酸干擾mRNA與剪接相關RNA結合蛋白的結合及其剪接過程，可在細胞水平減少Aβ的產生[3]，這是目前AD治療方法研究的新方向之一。

2 mRNA出核運輸

真核細胞中核酸的核質轉運過程一般通過核孔復合體進行，一旦發生核孔復合體損傷、轉運相關蛋白或核膜異常，則會影響包括mRNA在內的核酸轉運進程。核孔復合體由富含FG結構域的多種核孔蛋白(phenylalanine-glycine rich, Nups)核孔蛋白組裝而成，其中Nup98直接參與mRNA的出核運輸，而AD中它可與病理性tau蛋白直接相互作用，導致Nup98錯誤定位于細胞質，同時加速tau蛋白在細胞質中的聚集和纖維化[4]。

核膜的異常也會對核質運輸產生影響，AD患者死后的腦組織中發現大約60%的神經元存在核膜內陷，這種核質網擴張可能是tau蛋白誘導的Lamin蛋白水平降低導致的[10]。由于從轉錄位點擴散到核孔復合體是mRNA出核轉運的限速步驟，而內陷的核被膜上有核孔，故猜想核質網擴張可以促進mRNA的出核轉運[10]。在AD的果蠅模型中發現了核質網的內陷以及附近poly(A) RNA的聚集，而敲除或抑制與RNA出核轉運相關的重要蛋白如NTF2樣輸出因子1 (nuclear transport factor 2-like export factor 1, NXT1)后，tau轉基因果蠅中神經元死亡減少，雖然還未證明NXT1等蛋白是否存在其他功能導致這種現象，但這可以作為未來療法研究的新方向[10]。

3 mRNA翻譯

成熟的mRNA在核糖體中翻譯合成蛋白質，穩定的翻譯對突觸的功能至關重要[11]，核糖體功能障礙和蛋白質合成的改變在AD早期即可出現。Tau蛋白可以與核糖體蛋白S6相互作用使得后者功能損傷[11]，Aβ42寡聚肽會導致45S pre-rRNA和18S 和28S rRNA的水平下調，影響rRNA的合成和加工[12]，這都可能使AD患者中mRNA翻譯過程受到影響，進而導致學習、記憶和認知障礙[11]。

另外，神經元軸突和神經末梢的蛋白質局部合成對軸突和突觸功能至關重要[13]。例如,在正常情況下tau蛋白主要位于軸突，而AD患者中tauRNA與RNA結合蛋白共同定位于樹突和突觸后的顆粒結構中，受到特定刺激會引起mRNA翻譯迅速上調[14]。蛋白質局部合成過程受到多種RNA結合蛋白的調控，如脆性X智力低下蛋白FMRP可以通過結合定位于突觸的mRNA、妨礙核糖體發揮作用達到抑制翻譯的作用，APPRNA的翻譯即通過這種機制受到抑制，而mGluR5的激活可解除這種抑制，導致APP上調[15]。雖然目前在AD患者中沒有觀察到FMRP表達水平的顯著變化，其功能的調節在AD發病過程中的機制尚有待于進一步研究探索[15]。

4 mRNA降解

除了轉錄和翻譯之外，mRNA的豐度同樣取決于其降解速度，非編碼RNA與RNA結合蛋白都在此過程的調控中發揮重要作用。例如，AD患者的腦樣本中BACE1 mRNA的穩定性是由于lncRNA BACE1-AS表達上調、抑制了miR-485-5p介導的RNA降解所致[16]。而AD中tauRNA穩定性會因RNA結合蛋白TDP-43表達下調而降低從而進一步導致tau蛋白的表達抑制，提示TDP-43的下調可能與AD和相關神經退行性疾病有關[17]。Rbfox蛋白家族也可調節mRNA穩定性，其中Rbfox1在AD中下調，可能通過影響相關突觸傳遞蛋白mRNA的穩定性和豐度而導致突觸損傷，同時Rbfox1的表達與性別及年齡密切相關，在女性及老年人中表達水平低也與AD風險因素一致[18]。因此，鑒定AD中的mRNA降解異常基因也是最終闡明AD發病機制的重要環節。

5 m6A調控因子在AD疾病中的異常表現

m6A甲基化平衡主要由甲基轉移酶(包括METTL3、METTL14等)和去甲基化酶(包括ALKBH5、FTO)共同調控[5]。其中，去甲基化酶FTO在AD小鼠模型腦組織中上調，通過TSC1-mTOR-Tau信號通路調節tau蛋白的磷酸化[19]， 雖然FTO是否能夠對TSC1 RNA直接去甲基化并影響其穩定性需要進一步研究證實，但提供了m6A參與AD病理的可能性。另一方面，m6A對RNA代謝的調控功能主要通過其結合蛋白[如YTH(YT521-B homology)家族]介導完成。其中YTHDC1可與多個SR蛋白(serine/arginine-rich protein)家族成員發生相互作用，與SRSF3的結合可參與調節mRNA的剪接和出核[20-21]。在參與tau蛋白選擇性剪接的SR蛋白家族中，SRSF2可結合有m6A的RNA并促進外顯子的包含[22]。另外，參與APP mRNA翻譯調節的FMRP(fragile mental retardation protein)也可識別m6A，并有可能籍此調控神經元突觸的局部蛋白質合成[23]或參與調節m6A依賴的mRNA出核運輸[24]。

6 問題和展望

本課題組主要從事表觀轉錄標記m6A在腦腫瘤與神經退行性疾病中的作用與機制的研究。前期研究已發現，與正常腦組織相比，AD患者的顳葉腦組織中RNA m6A水平發生明顯改變(未發表數據)，由此推測m6A介導的mRNA代謝改變可能與AD的發病有關，而其中的機制還有待進一步闡明。

綜上所述，AD發病過程中存在多種mRNA轉錄后調控異常，因素多種多樣且仍有很多不明之處。隨著RNA生物學領域的不斷發展，對AD以及其他神經退行性疾病中mRNA代謝的研究將變得更加便利。負責維持m6A甲基化平衡、介導其生物學作用的m6A調控基因在AD中表現異常，我們推測這有可能進一步破壞正常的RNA代謝過程，因此研究AD發病過程中的m6A甲基化變化將為闡明AD的發病機制提供新的思路與方向。