SUMO2/3-ylation：守护 TDP-43 的 “隐形卫士”，对抗神经退行性疾病的新希望
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时间：2025年02月25日
来源：SCIENCE ADVANCES 11.7
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为探究细胞如何调控 TDP-43 聚集这一难题，研究人员开展关于 TDP-43 SUMO2/3-ylation 的研究，发现其可稳定胞质无 RNA 的 TDP-43，这为相关疾病治疗提供新思路。
在神经退行性疾病的神秘领域中，肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）和额颞叶痴呆（frontotemporal dementia，FTD）如同两座难以攻克的大山，严重威胁着人类的健康。而 TDP-43（transactive response DNA-binding protein 43），这个原本在细胞核中参与 RNA 代谢的蛋白质，却在这些疾病的发展过程中 “叛变” 了。正常情况下，它安分地待在细胞核里，可一旦出了问题，就会在细胞质中聚集，形成标志性的胞质内含物，成为引发 ALS 和 FTD 的 “罪魁祸首” 之一。
TDP-43 的聚集倾向极高，就像一群不安分的 “小调皮”，不仅在细胞内溶解度低，而且遇到压力时，还会迅速聚集起来，尤其是在携带 ALS/FTD 相关突变的情况下，这种聚集现象更为明显。在患者体内，比如具有 C9orf72 六核苷酸重复扩增的患者，就能明显观察到 TDP-43 的异常聚集。面对如此棘手的问题，科学家们迫切地想要知道，细胞究竟是如何控制 TDP-43 聚集的呢？这就成为了该研究的核心出发点。
为了解开这个谜团，研究人员踏上了探索之旅。最终，他们发现了 SUMO2/3 蛋白结合（SUMO2/3-ylation）这个关键机制，相关研究成果发表在《Science Advances》期刊上。该机制就像是细胞内的 “智能卫士”，专门用来稳定细胞质中不含 RNA 的 TDP-43，防止其聚集，从而为对抗神经退行性疾病带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员使用了多种关键技术方法。细胞实验方面，通过转染技术改变细胞内相关基因的表达，利用免疫沉淀、蛋白质印迹等技术检测蛋白的修饰和相互作用情况，还借助荧光漂白恢复技术（FRAP）来研究蛋白的动态变化。在动物实验方面，选用秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）为模型，运用 RNA 干扰（RNAi）技术干扰基因表达，通过活体成像观察蛋白的行为。此外，研究还使用了人类尸检组织样本，进行免疫荧光染色和分析，从人体层面进一步验证研究结果。
下面让我们详细看看研究的具体成果：
氧化应激导致 TDP-43 SUMO2/3-ylation 并在细胞质应激颗粒（SGs）中富集
研究人员通过一系列实验，如在 U2OS 细胞中过表达 GFP 标记的 TDP-43 并进行免疫沉淀，发现氧化应激时，TDP-43 会与 SUMO2/3 结合，而且二者都会在细胞质应激颗粒中富集。这就像是在细胞遇到氧化应激这个 “危险信号” 时，TDP-43 和 SUMO2/3 会迅速 “聚集” 到应激颗粒这个 “特殊场所”。
结合和游离的 SUMO2/3 定位于 SGs
以往的研究对于 SUMO2/3 是否存在于 SGs 内存在争议，本研究通过多种方法，如使用不同的固定剂、过表达不同的 SUMO2 变体、利用 Flag-Affimers 以及制备 SG 富集的蛋白组分等，证实了 SUMO2/3 会进入 SGs，且 SGs 中同时存在结合和游离的 SUMO2/3。
SUMO2/3-ylation 维持 TDP-43 在 SGs 内的流动性
利用 FRAP 技术对比 TDP-43 在不同凝聚体中的流动性，研究发现 SUMO2/3-ylation 能够维持 TDP-43 在 SGs 内的流动性。当 SUMO2/3-ylation 被抑制时，TDP-43 在 SGs 内会被固定，这表明 SUMO2/3-ylation 对于保持 TDP-43 在 SGs 内的正常状态至关重要。此外，通过对缺乏 SG 组装关键蛋白的 U2OS 细胞进行研究，发现细胞组装 SGs 的能力与 TDP-43 SUMO2/3-ylation 的效率紧密相关，SGs 的存在有助于 TDP-43 SUMO2/3-ylation，进而保护 TDP-43 不发生聚集。
SUMO2/3-ylation 在氧化应激时调节 TDP-43 的溶解性
通过对细胞内蛋白质进行分级分离，研究发现 SUMO2/3-ylation 对于维持氧化应激时 TDP-43 的可溶性不可或缺。抑制 SUMO2/3-ylation 会导致 TDP-43 形成蛋白质聚集体，而在秀丽隐杆线虫模型中的实验也进一步验证了 SUMO 在保护 TDP-43 免受聚集方面的保守作用。
赖氨酸突变为精氨酸影响 TDP-43 在 SGs 内的流动性
研究人员对 TDP-43 的 SUMO2 位点进行突变，发现位于 RRM1 结构域内的赖氨酸残基对于维持应激时 TDP-43 的可溶性非常重要。其中，RRM1 10K/R 突变体在所有测试条件下都倾向于聚集，且该突变体无法结合 RNA 并调节其剪接，这表明这些赖氨酸残基的正常功能对于 TDP-43 的正常运作至关重要。
PIAS4 对于维持 TDP-43 在 SGs 内的流动性和防止其聚集至关重要
研究发现 PIAS4 作为 SUMO E3 连接酶，与 TDP-43 相互作用并使其 SUMO2/3-ylation。通过 RNA 干扰技术降低 PIAS4 的表达，会导致 TDP-43 在 SGs 内的流动性丧失并促进其聚集，这表明 PIAS4 在维持 TDP-43 的正常状态方面发挥着关键作用。
与 UG - 富含 RNA 的结合竞争 PIAS4 依赖的 TDP-43 SUMO2-ylation
研究人员通过体外实验发现，TDP-43 与 UG - 富含 RNA 的结合会掩盖其赖氨酸残基，从而抑制 PIAS4 介导的 SUMO2/3-ylation。而当 RNA 解离时，TDP-43 更容易发生 SUMO2/3-ylation，这表明 RNA 结合与 SUMO2/3-ylation 之间存在着密切的竞争关系。
SUMO2/3-ylation 是保护无 RNA 的 TDP-43 免受聚集的机制
通过使用无法结合 RNA 的 TDP-43 变体以及用 RNase A 和放线菌素 D 处理细胞等实验，研究表明 SUMO2/3-ylation 能够防止 TDP-43 在细胞质中聚集。当 RNA 水平降低时，细胞会增加 TDP-43 的 SUMO2/3-ylation，以保护 TDP-43 不发生聚集。
抑制 SUMO - ylation 损害诱导多能干细胞来源的运动神经元（iPSC - MNs）中 SG 的解体
在疾病相关细胞 iPSC - MNs 中，研究发现 SUMO2/3 与 TDP-43 在 SGs 内共定位，抑制 SUMOylation 会显著延迟 SG 的解体，这表明 SUMOylation 在调节 SG 动态平衡方面具有重要作用，且该过程与细胞类型和 iPSC - MNs 的分化阶段无关。
TDP-43 聚集倾向高的 C 末端片段的 SUMO2/3-ylation 减少
ALS 和 ALS - FTD 患者体内的 TDP-43 C 末端片段（CTFs），如 TDP-35 和 TDP-25，其 SUMO2/3-ylation 程度明显降低。这些片段更容易聚集，且在 SGs 内的流动性较低，进一步支持了 TDP-43 SUMO2/3-ylation 与聚集倾向之间的相关性。
ALS 脊髓 α - 运动神经元中 TDP-43 细胞质内含物的存在与细胞质 PIAS4 水平降低相关
通过对家族性 ALS 患者的研究发现，在 TDP-43 和 C9orf72 相关的家族性 ALS 患者的脊髓 α - 运动神经元中，细胞质 PIAS4 免疫反应性显著降低，且与 TDP-43 聚集呈负相关。这表明在这些患者中，PIAS4 细胞质水平的降低可能通过减少 TDP-43 的 SUMO2/3-ylation，从而促进 TDP-43 的聚集。
综上所述，本研究揭示了 SUMO2/3-ylation 在调节 TDP-43 稳定性和防止其聚集方面的重要作用。这一发现为深入理解神经退行性疾病的发病机制提供了新的视角，也为开发针对 ALS 和 FTD 等疾病的治疗策略提供了潜在的靶点和理论依据。未来，研究人员可以进一步探索如何通过调节 SUMO2/3-ylation 或 PIAS4 的功能，来干预 TDP-43 的聚集过程，为这些难治性疾病的治疗带来新的希望。
