撰文丨十一月
转运RNA合成酶（Aminoacyl-tRNAsynthetases，AARSs）基因的杂合突变可导致#腓骨肌萎缩症#（Charcot-Marie-Tooth，CMT）周围神经病变，该疾病在世界范围内的发病率约为1/，会影响病人手部、腿部以及足部的感觉和功能。荷兰内梅亨大学（RadboudUniversity）ErikStorkebaum研究组在Science发文题为tRNAoverexpressionrescuesperipheralneuropathycausedbymutationsintRNAsynthetase，发现tRNA的过表达会缓解tRNA合成酶突变所造成的周围神经病变，因此可以作为腓骨肌萎缩症的可能治疗手段。
AARSs是一种广泛表达的酶，通过共价作用将氨基酸附着到同源tRNA(tRNA氨基酰化)上。与腓骨肌萎缩症相关的*性功能获得突变主要与甘氨酰-tRNA合成酶的突变相关。果蝇中先前的工作建立了一种体内细胞特异性可视化新合成蛋白的方法，通过荧光标记的非经典氨基酸实现对蛋白质合成的实时记录，该方法被称为FUNCAT（Fluorescentnoncanonicalaminoacidtagging），通过该方法揭示出甘氨酰-tRNA合成酶的突变会造成运动神经元和感受神经元中整体蛋白质合成的抑制。
但是一直以来甘氨酰-tRNA合成酶的突变影响腓骨肌萎缩症的具体分子机制还不得而知，因此也没有对症的药物进行临床治疗。为了对该问题进行研究，作者们利用细菌人工染色体（Bacterialartificialchromosome，BAC）携带多拷贝甘氨酰-tRNA从而构建了过表达转基因果蝇品系（图1）。作者们发现携带10个或者20个甘氨酰-tRNA的果蝇分别表现出比野生型高出13%以及25%的甘氨酰-tRNA表达量，10个拷贝的甘氨酰-tRNA转基因果蝇已经可以部分挽救甘氨酰-tRNA合成酶突变所造成的翻译缺陷以及周围神经系统病变。另外，作者们还发现挽救的程度与甘氨酰-tRNA过表达的程度存在相关性。
图1多拷贝细菌人工染色体果蝇品系
为了进一步加强该结果对人类腓骨肌萎缩症临床治疗的指导作用，作者们在腓骨肌萎缩症的小鼠模型中对甘氨酰-tRNA过表达的作用进行检测。作者们构建了两种分别包含27个甘氨酰-tRNA以及2个甘氨酰-tRNA的转基因品系，分别称为高甘氨酰-tRNA小鼠以及低甘氨酰-tRNA小鼠。在脊髓、胫骨前肌、坐骨神经，高甘氨酰-tRNA小鼠的甘氨酰-tRNA水平比野生型高出90-%。作者们发现甘氨酰-tRNA过表达在不影响甘氨酰-tRNA合成酶的mRNA以及蛋白质水平的情况下，可以阻止疾病小鼠模型体内的周围神经病变。
那么甘氨酰-tRNA过表达挽救腓骨肌萎缩症表型的具体分子机制是什么呢？作者们提出了一个可能的机制是甘氨酰-tRNA突变型合成酶可能会影响甘氨酰-tRNA结合和释放的动力学过程从而影响蛋白质合成过程中甘氨酸的引入。通过尺寸排除色谱法等方法，作者们发现甘氨酰-tRNA突变型合成酶会将细胞内大部分的甘氨酰-tRNA隔离出去，从而不能在翻译过程中正常引入。甘氨酰-tRNA的隔离可能会造成核糖体在甘氨酸密码子处的停滞（Ribosomestalling），作者们对腓骨肌萎缩小鼠以及野生型小鼠的细胞进行了核糖体谱（Ribosomeprofiling）检测，通过该实验作者们确认是核糖体停滞导致腓骨肌萎缩的发病。
核糖体的停滞会通过GCN2激活机体的整合应激反应（Integratedstressresponse，ISR），而整合应激反应的激活也会涉及到腓骨肌萎缩症的发生。因此，作者们对腓骨肌萎缩症小鼠模型中的整合应激反应进行评估，发现甘氨酰-tRNA过表达可以完全拯救疾病模型小鼠中脊髓运动神经元中真核其实因子eIF2α高度磷酸化的表型。另外作者们发现在受影响的运动和感觉神经元中，甘氨酰-tRNA水平低于一个关键阈值时候会导致这些细胞类型中的核糖体选择性停滞。
总的来说，该工作提出了腓骨肌萎缩症的具体分子机制，甘氨酰-tRNA突变型合成酶通过隔离蛋白质合成过程中的甘氨酸，激活整合应激反应，导致周围神经病变的发生，最终导致病人手部、腿部、足部神经活动能力的降低和丧失（图2）。另外，作者们的结果发现通过增加甘氨酰-tRNA的含量可能会成为治疗腓骨肌萎缩症的方法，为该疾病的临床治疗提供了新的药物靶点。
图2工作模型
同期Science发表了背靠背的另一篇论文，来自R.W.Burgess团队，题为：TheintegratedstressresponsecontributestotRNAsynthetase–associatedperipheralneuropathy（详见BioArt今日推送的第四条）。研究提供了体内细胞类型特异性转录和翻译分析来表明突变的tRNA合成酶通过GCN2激活整合应激反应(integratedstressresponse,ISR)，并进行了相关治疗方法探索。由于这两项工作对于腓骨肌萎缩症提出的可能治疗方案，同期刊发了评论文章对工作进行了高度评价，提出可以根据潜在的tRNA合成酶的突变设计过表达tRNA的药物，或者通过药理学的方式抑制整合应激反应。该工作为腓骨肌萎缩症致病机理提供了更好的理解，并提出了防止翻译抑制引起整合应激反应这一原理作为治疗机理与依据的巨大前景。
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