mRNA转录后调控异常在阿尔茨海默病发病机制中的研究进展

孙静瑶，佟伟民，牛亚梅

(中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院基础学院 病理学系， 北京 100005)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是各种痴呆中最常见的一种病症，临床上主要表现为记忆、认知功能障碍以及其他行为和精神症状，给家庭和公共卫生带来沉重的经济负担[1]。因此，亟需阐明AD的发病机制、并进而研发有效的诊治手段。

迄今为止，多项DNA层面上的研究已在编码淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)、早老素1(presenilin 1, PSEN1)和早老素2(presenilin 2, PSEN2)的基因中鉴定出与早发型AD发生有关的基因突变、同时也鉴定出多个与晚发型AD发病有关的风险基因[2]。蛋白质层面的研究则发现β-淀粉样肽(β-amyloid peptides, Aβ)沉积导致的淀粉样斑块[3]和微管相关蛋白tau(microtubule associated protein tau, MAPT)异常磷酸化导致的神经纤维缠结[4]是AD的主要病理特征。转录后调控是RNA转录生成之后包括转录、剪接、出核、翻译等多个环节在内的一系列调控事件，这一过程的正常进行是确保该基因生物学功能得以正常发挥的必要前提之一，其中任一环节异常均有可能导致疾病的发生。N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenosine，m6A)是mRNA上最为常见的表观转录修饰，而且在脑组织中高丰度存在[5]，几乎参与调控mRNA代谢过程的每个环节，因此推测m6A甲基化失衡也可能与AD发生相关。本文在此总结了迄今已报道的AD发生过程中出现的各种mRNA转录后调控异常，并根据现今RNA表观转录调控领域的发展提出了研究AD发病机制新的方向。

1 mRNA的选择性剪接

选择性剪接(alternative splicing)是真核生物中一种重要的mRNA转录后调控模式，在神经系统中尤为普遍，并与包括AD在内的多种神经系统疾病的发生有关[6]。

AD中淀粉样斑块与神经元缠结的形成即与mRNA选择性剪接调节的异常密切相关。APPRNA含有18个外显子，其选择性剪接产物主要有3种形式：表达包含所有外显子的APP770、缺少外显子8的APP751和缺少外显子7、8的APP695，其中APP695在神经元中表达丰富，但在AD患者脑中表达下降，而APP770则表达增加，这可能与神经元ELAVL蛋白家族的调节有关[6]。APP代谢相关基因的mRNA剪接异常也参与AD的发生，如剪接调节因子hnRNPA2/B1的表达降低可导致β-分泌酶BACE1基因的异常剪接[7]，一些早发型AD病例的研究也发现PSEN1或PSEN2中突变引起的剪接异常可导致蛋白质功能丧失[2]。MAPT基因由16个外显子组成，其选择性剪接可产生6种亚型，其中按照外显子10的剪接分为含有3个微管重复结构域的3R-tau和含有4个微管重复结构域4R-tau，在成人正常脑组织中二者比例约为1∶1，但在AD患者中这一比例失调[8]。

另外，许多AD风险基因也存在剪接的失调。载脂蛋白EAPOE有3种类型的等位基因变异体，携带等位基因APOEε4的个体其Aβ的清除率低，AD发病风险增高显著，是AD最主要的风险基因[1]。APOE有包含外显子1的APOE-001、APOE-002和不包含外显子1的APOE-005共3种剪接亚型，后者在颞叶中上调而前者下调[1]。AD的另一风险基因TREM2在脑中也存在多种不同的转录本，其中包含全部5个外显子和仅缺少外显子5的蛋白产物通过跨膜结构域定位在细胞膜上，而缺少外显子4的转录本编码可溶性的TREM2在AD患者脑脊液中呈升高现象，这可能是由跨膜蛋白的裂解或不同转录本表达改变导致[9]。

剪接因子等RNA结合蛋白在选择性剪接过程中发挥重要的作用，如MAPTmRNA的剪接即受到SC35和ASF/SF2蛋白等多种SR剪接因子的复杂调控，通过此途径可影响tau亚型的比例并改变小鼠的认知功能[8]。已有研究尝试利用反义寡核苷酸干扰mRNA与剪接相关RNA结合蛋白的结合及其剪接过程，可在细胞水平减少Aβ的产生[3]，这是目前AD治疗方法研究的新方向之一。

2 mRNA出核运输

真核细胞中核酸的核质转运过程一般通过核孔复合体进行，一旦发生核孔复合体损伤、转运相关蛋白或核膜异常，则会影响包括mRNA在内的核酸转运进程。核孔复合体由富含FG结构域的多种核孔蛋白(phenylalanine-glycine rich, Nups)核孔蛋白组装而成，其中Nup98直接参与mRNA的出核运输，而AD中它可与病理性tau蛋白直接相互作用，导致Nup98错误定位于细胞质，同时加速tau蛋白在细胞质中的聚集和纤维化[4]。

核膜的异常也会对核质运输产生影响，AD患者死后的脑组织中发现大约60%的神经元存在核膜内陷，这种核质网扩张可能是tau蛋白诱导的Lamin蛋白水平降低导致的[10]。由于从转录位点扩散到核孔复合体是mRNA出核转运的限速步骤，而内陷的核被膜上有核孔，故猜想核质网扩张可以促进mRNA的出核转运[10]。在AD的果蝇模型中发现了核质网的内陷以及附近poly(A) RNA的聚集，而敲除或抑制与RNA出核转运相关的重要蛋白如NTF2样输出因子1 (nuclear transport factor 2-like export factor 1, NXT1)后，tau转基因果蝇中神经元死亡减少，虽然还未证明NXT1等蛋白是否存在其他功能导致这种现象，但这可以作为未来疗法研究的新方向[10]。

3 mRNA翻译

成熟的mRNA在核糖体中翻译合成蛋白质，稳定的翻译对突触的功能至关重要[11]，核糖体功能障碍和蛋白质合成的改变在AD早期即可出现。Tau蛋白可以与核糖体蛋白S6相互作用使得后者功能损伤[11]，Aβ42寡聚肽会导致45S pre-rRNA和18S 和28S rRNA的水平下调，影响rRNA的合成和加工[12]，这都可能使AD患者中mRNA翻译过程受到影响，进而导致学习、记忆和认知障碍[11]。

另外，神经元轴突和神经末梢的蛋白质局部合成对轴突和突触功能至关重要[13]。例如,在正常情况下tau蛋白主要位于轴突，而AD患者中tauRNA与RNA结合蛋白共同定位于树突和突触后的颗粒结构中，受到特定刺激会引起mRNA翻译迅速上调[14]。蛋白质局部合成过程受到多种RNA结合蛋白的调控，如脆性X智力低下蛋白FMRP可以通过结合定位于突触的mRNA、妨碍核糖体发挥作用达到抑制翻译的作用，APPRNA的翻译即通过这种机制受到抑制，而mGluR5的激活可解除这种抑制，导致APP上调[15]。虽然目前在AD患者中没有观察到FMRP表达水平的显著变化，其功能的调节在AD发病过程中的机制尚有待于进一步研究探索[15]。

4 mRNA降解

除了转录和翻译之外，mRNA的丰度同样取决于其降解速度，非编码RNA与RNA结合蛋白都在此过程的调控中发挥重要作用。例如，AD患者的脑样本中BACE1 mRNA的稳定性是由于lncRNA BACE1-AS表达上调、抑制了miR-485-5p介导的RNA降解所致[16]。而AD中tauRNA稳定性会因RNA结合蛋白TDP-43表达下调而降低从而进一步导致tau蛋白的表达抑制，提示TDP-43的下调可能与AD和相关神经退行性疾病有关[17]。Rbfox蛋白家族也可调节mRNA稳定性，其中Rbfox1在AD中下调，可能通过影响相关突触传递蛋白mRNA的稳定性和丰度而导致突触损伤，同时Rbfox1的表达与性别及年龄密切相关，在女性及老年人中表达水平低也与AD风险因素一致[18]。因此，鉴定AD中的mRNA降解异常基因也是最终阐明AD发病机制的重要环节。

5 m6A调控因子在AD疾病中的异常表现

m6A甲基化平衡主要由甲基转移酶(包括METTL3、METTL14等)和去甲基化酶(包括ALKBH5、FTO)共同调控[5]。其中，去甲基化酶FTO在AD小鼠模型脑组织中上调，通过TSC1-mTOR-Tau信号通路调节tau蛋白的磷酸化[19]， 虽然FTO是否能够对TSC1 RNA直接去甲基化并影响其稳定性需要进一步研究证实，但提供了m6A参与AD病理的可能性。另一方面，m6A对RNA代谢的调控功能主要通过其结合蛋白[如YTH(YT521-B homology)家族]介导完成。其中YTHDC1可与多个SR蛋白(serine/arginine-rich protein)家族成员发生相互作用，与SRSF3的结合可参与调节mRNA的剪接和出核[20-21]。在参与tau蛋白选择性剪接的SR蛋白家族中，SRSF2可结合有m6A的RNA并促进外显子的包含[22]。另外，参与APP mRNA翻译调节的FMRP(fragile mental retardation protein)也可识别m6A，并有可能籍此调控神经元突触的局部蛋白质合成[23]或参与调节m6A依赖的mRNA出核运输[24]。

6 问题和展望

本课题组主要从事表观转录标记m6A在脑肿瘤与神经退行性疾病中的作用与机制的研究。前期研究已发现，与正常脑组织相比，AD患者的颞叶脑组织中RNA m6A水平发生明显改变(未发表数据)，由此推测m6A介导的mRNA代谢改变可能与AD的发病有关，而其中的机制还有待进一步阐明。

综上所述，AD发病过程中存在多种mRNA转录后调控异常，因素多种多样且仍有很多不明之处。随着RNA生物学领域的不断发展，对AD以及其他神经退行性疾病中mRNA代谢的研究将变得更加便利。负责维持m6A甲基化平衡、介导其生物学作用的m6A调控基因在AD中表现异常，我们推测这有可能进一步破坏正常的RNA代谢过程，因此研究AD发病过程中的m6A甲基化变化将为阐明AD的发病机制提供新的思路与方向。