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本文聚焦肌萎缩侧索硬化（ALS）中 43kDa 反式激活应答 DNA 结合蛋白（TDP-43）的致病机制。详细阐述了 TDP-43 的异常表达、病理改变、相关细胞通路及对运动神经元的影响，为探寻 ALS 治疗靶点提供了重要依据。
引言
肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种致命的神经退行性疾病，其特征为上下运动神经元进行性退化，患者常因呼吸衰竭和肺炎在发病后 3 - 5 年内死亡。在 ALS 的发病机制中，神经元胞质聚集体是一个重要特征，而 43kDa 反式激活应答 DNA 结合蛋白（TDP-43）的异常表达与胞质内含物密切相关。
TDP-43 是一种 RNA/DNA 结合蛋白，在 RNA 剪接、mRNA 稳定性和运输等过程中发挥关键作用。编码 TDP-43 的 TARDBP 基因位于 1 号染色体（1p36.22），其外显子 2 - 6 负责翻译 TDP-43。TDP-43 蛋白包含 414 个氨基酸，具有 N 末端区域、两个 RNA 识别基序（RRM1 和 RRM2）、C 末端结构域，还含有核定位信号（NLS）、核输出信号（NES）等多个功能区域，这些区域共同调控 TDP-43 的功能。正常情况下，TDP-43 主要定位于细胞核，但也在细胞质和细胞核之间穿梭。在 ALS 和额颞叶变性（FTLD）组织中，退化神经元中的 TDP-43 异常定位于细胞质，且发生超磷酸化、泛素化，并形成 C 末端片段（CTFs）。虽然 TDP-43 病理的具体机制尚未完全阐明，但已取得了一定进展，可能涉及功能获得和功能丧失机制。
病理改变
许多 TARDBP 基因突变会导致 TDP-43 生物活性的病理变化。例如，与 ALS 相关的突变会破坏 RNA 结合，导致细胞质中 TDP-43 积累，进而形成细胞质包涵体聚集体。这些突变还会影响 TDP-43 蛋白的磷酸化、泛素化、溶解性和稳定性。4% 的家族性 ALS 病例和 1.5% 的散发性 ALS 病例由 TARDBP 基因突变引起，大多数病理突变是发生在外显子 6 的错义突变，如常见的 A382T 突变，与家族性和散发性 ALS 均相关。不同突变对 TDP-43 的影响各异，部分突变会增加其磷酸化、泛素化水平，促进聚集，改变稳定性和切割方式，甚至诱导内质网应激。不过，并非所有 TARDBP 错义突变都会导致致病结果，如 N267S 突变在无疾病个体中被发现，且会导致 TDP-43 表达下降。
核质运输（NCT）系统受损会致使细胞质中 TDP-43 积累。核孔复合物（NPCs）中的核孔蛋白，如核孔蛋白 p62（NUP62），在病理条件下会错误定位到细胞质并与 TDP-43 共定位，促进 TDP-43 的不溶性。在散发性 ALS 中，TDP-43 的错误定位与 NUP62 和核转运主调节蛋白 karyopherin beta 1（KPNB1）有关。此外，蛋白 14-3-3θ、亲环素 A（CPA）等也与 TDP-43 的错误定位相关。TDP-43 过度转运到细胞质会导致功能丧失和获得异常功能，影响 mRNA 剪接、基因表达等多种生物学过程，如 TDP-43 介导的 stathmin-2（STMN2）mRNA 剪接异常，会导致 STMN2 蛋白水平下降，进而影响运动神经元功能。
TDP-43 可被 caspase-3 和钙蛋白酶切割，在 RRM2 结构域的多个位点（如 Arg208、Asp219 等）切割产生不同大小的 CTFs。CTFs 具有不同的细胞毒性，25kDa 的 CTF 比 35kDa 的 CTF 更易聚集且细胞毒性更强，其形成的包涵体性质也有所不同。CTFs 的溶解性与切割位点有关，突变会影响其溶解性和毒性。TDP-43 的切割会促进其异常磷酸化和细胞质聚集，但磷酸化对于聚集和沉积可能并非必需。
N 末端片段（NTD 片段）可能介导 TDP-43 聚集和相关毒性。表达 TDP-43 极端 N 末端会形成泛素阳性的细胞质包涵体并激活 caspase-3，小鼠表达该片段会出现反应性胶质增生和神经异常，删除极端 N 末端则可消除这些症状。
TDP-43 的 C 末端结构域，尤其是低复杂性结构域（LCD），与液 - 液相分离（LLPS）有关。TDP-43 的一些突变（如 G335 位点突变）会增强 LLPS，促使细胞内 TDP-43 形成液滴并易于聚集。ATP 可抑制 LLPS，而病理条件下 ATP 缺失会促进 LLPS 形成。LLPS 至少部分参与了 TDP-43 的聚集和 ALS 的发病机制。
磷酸化、泛素化、乙酰化、多聚 ADP - 核糖基化等修饰会改变 TDP-43 的功能，参与 ALS 的发展。例如，TDP-43 的磷酸化在生理条件下受调控，但超磷酸化与神经毒性相关，不同激酶和磷酸酶参与其磷酸化和去磷酸化过程，且磷酸化位点不同会导致不同结果。泛素化促进 TDP-43 细胞质转运，多个泛素化赖氨酸残基已被确定，且泛素化与磷酸化之间存在相互作用。乙酰化的 TDP-43 会损害 RNA 结合能力，促进其不溶性、超磷酸化和泛素化。多聚 ADP - 核糖基化可调节 TDP-43 细胞质积累，TDP-43 还可在应激颗粒（SGs）中表达，氧化应激和 TDP-43 突变会促进其在 SGs 中的积累。半胱氨酸氧化会影响 TDP-43 的溶解性和功能，导致其聚集。
TDP-43 与自噬失调
TDP-43 参与自噬过程，功能性 TDP-43 的缺失会导致自噬受损。通过 RNA 干扰（RNAi）耗尽 TDP-43 会降低主要自噬成分自噬相关 7（Atg7）的 mRNA 水平。虽然 TDP-43 缺失会诱导转录因子 EB（TFEB）核转位以增强溶酶体生物发生和自噬的主调节作用，但会通过下调动力蛋白激活蛋白 1（dynactin 1）损害自噬体与溶酶体的融合，导致未成熟自噬泡积累。TDP-43 还调节哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1） - TFEB 信号通路，影响自噬体生物发生和自噬体 - 溶酶体融合。TDP-43 聚集会影响自噬活性，刺激自噬可改善 TDP-43 清除并减轻神经退行性变。
TDP-43 与线粒体损伤
线粒体中的 TDP-43 直接结合线粒体 DNA 编码的部分转移 RNA 和前体 RNA，上调的 TDP-43 可稳定线粒体多顺反子转录本的加工中间体等，但过表达会导致正常加工失调。异常的 TDP-43 会诱导线粒体动力学异常，如 TDP-43 突变（G298S、Q331K 等）会增加其线粒体定位，过表达野生型或突变型 TDP-43 会影响线粒体长度、密度、钙摄取，降低线粒体膜电位，增加活性氧（ROS）产生，减少线粒体 ATP 合成，导致线粒体复合物 I 活性下降和复合物 I 解体，还会激活线粒体未折叠蛋白反应（mUPR）。TDP-43 可与线粒体蛋白相互作用，如与 mitofusin（Mfn2）、prohibitin 2（PHB2）等相互作用，影响线粒体功能和相关通路。TDP-43 诱导的线粒体功能障碍与轴突变性有关，会干扰轴突和神经肌肉接头（NMJ）的局部蛋白质合成，导致 NMJ 功能障碍。
TDP-43 与运动神经元变性
TDP-43 对调节轴突生长至关重要，它控制核糖体蛋白 mRNA 的运输和局部翻译，维持神经元轴突的形态完整性。过表达全长或突变型 TDP-43 会导致轴突生长严重受损、轴突功能障碍和神经元死亡。然而，核 TDP-43 的缺失而非细胞质包涵体似乎与轴突缺陷更相关，TDP-43 抑制或敲除会导致神经元突触异常。TDP-43 通过与激活蛋白 C 激酶 1 受体（RACK1）相互作用促进运动神经元变性，抑制翻译过程。一些 TDP-43 突变（如 M337V、Q331K 等）会损害轴突运输，导致运动功能障碍和运动神经元丢失。
结语
病理 TDP-43 是 ALS 发展的主要机制之一，其异常变化会导致神经元毒性和神经肌肉功能障碍。TDP-43 的突变、截断和翻译后修饰会促进细胞质转位和聚集，影响多种生理功能，导致核功能丧失和细胞质毒性功能获得。细胞层面上，线粒体功能障碍和自噬失调会加剧聚集的细胞质包涵体损伤和神经退行性变。
目前，虽然对 ALS 相关机制的研究取得了一定进展，但各病理变化对 ALS 的贡献较为复杂，不同突变、截断位点或翻译后修饰残基会产生不同的病理结果，增加了确定 ALS 治疗靶点的难度。此外，部分致病机制仍有待阐明，如 TDP-43 的某些磷酸化修饰对其聚集的影响存在争议。
随着新技术的发展，如冷冻电镜（cryo-EM），有助于更清晰地阐明 TDP-43 聚集的结构。恢复 TDP-43 的核定位可能会减少其磷酸化和细胞质聚集，对 ALS 患者具有潜在益处，N - 乙酰半胱氨酸和 β- 环糊精已被证明可部分恢复核 TDP-43，其在 ALS 治疗中的有效性值得进一步评估。目前，针对 TDP-43 及其相关通路的研究正在进行中，尽管找到治愈 ALS 的方法仍任重道远，但以 TDP-43 为靶点的研究有望为 ALS 治疗带来新的希望。
