显性负效NARS1 R534*突变通过野生型亚基毒害和异源二聚体优势导致细胞功能紊乱

本研究首次揭示单等位基因NARS1 R534突变通过形成优势R534/WT异源二聚体，对野生型AsnRS产生显性负效作用，阐明了该突变导致严重神经发育障碍的分子机制。研究人员结合结构生物学、生物化学和细胞实验，证明R534*突变虽削弱同源二聚体稳定性，却显著增强与WT亚基的异源二聚化，使酶活性丧失90%以上。该发现为aaRS相关疾病机制提供了新范式，并为治疗策略开发奠定基础。

　　

在生命的基本过程中，氨基酸-tRNA合成酶(aaRS)扮演着至关重要的角色，它们负责将氨基酸连接到对应的tRNA上，这是蛋白质合成的第一步。当这些酶出现问题时，往往会导致严重的疾病。传统观点认为，需要两个等位基因都发生突变（双等位基因突变）才会引发严重的多器官功能障碍，而单等位基因突变通常只导致较轻的组织特异性症状，比如外周神经病变。然而，近年来科学家们发现了一个打破常规的现象：在多个家族中出现的单等位基因NARS1 R534*突变，竟然会导致严重的神经发育异常。这就像是一个"坏苹果"不仅自己腐烂，还会让周围的"好苹果"也快速变质——但具体如何发生的，一直是个谜团。

发表在《Journal of Biological Chemistry》上的这项研究，由Ingrid Vallee和Xiang-Lei Yang领衔的团队揭开了这个谜底。研究人员采用了多种技术手段：通过患者来源的淋巴母细胞分析突变蛋白表达；利用AlphaFold3进行结构建模预测突变影响；采用质谱光度法测定二聚体解离常数(K_d)；建立共表达纯化系统分离异源二聚体；开发活性位点滴定法测定ATP水解活性；以及Northern blot检测tRNA结合能力等。

结构分析揭示突变关键影响

通过AlphaFold3建模和晶体结构分析，研究人员发现R534突变导致AsnRS蛋白C端15个氨基酸缺失(ΔR534-P548)，这个区域在进化上高度保守，参与二聚化、tRNA结合和催化位点架构稳定。具体而言，Y539、R541等残基与另一亚基形成氢键网络，而缺失的R545则在同亚基内与D227、N231相互作用。这些结构特征预示着R534可能严重影响酶的功能。

突变蛋白展现细胞毒性

患者淋巴母细胞实验显示，R534突变蛋白与野生型(WT)蛋白表达量相当，但细胞增殖严重受损。在HEK293T细胞中，高表达R534的细胞生长最慢，且随时间推移突变蛋白表达逐渐降低，表明高表达突变体对细胞具有毒性选择压力。

酶活性和二聚化特性改变

体外实验表明，R534同源二聚体的K_d值(44.5 nM)比WT(3.0 nM)高15倍，热稳定性也降低(Tm=49.9°C vs 53.1°C)。活性测定显示R534几乎完全丧失ATP水解和氨酰化活性，tRNA结合能力也显著减弱。引人注目的是，当与WT形成异源二聚体时，其活性仅相当于WT的10-50%，证实了显性负效作用。

异源二聚体在细胞中占主导

尽管体外数据显示R534削弱二聚化，但在细胞中却表现出相反趋势：R534/WT异源二聚体的结合强度是WT/WT同源二聚体的3倍。研究人员推测，这可能与底物诱导的构象动态变化有关——WT同源二聚体在低浓度底物下稳定性降低，而突变体因丧失活性而保持稳定。

研究结论与意义

这项研究首次阐明了单等位基因aaRS突变导致严重疾病的显性负效机制：R534突变不仅自身功能丧失，还通过优先形成R534/WT异源二聚体"毒害"WT亚基，使细胞中功能性AsnRS急剧减少。这解释了为何单等位突变能引起如此严重的表型。

特别值得注意的是，突变对二聚化的影响呈现"环境依赖性"：在体外纯化系统中削弱相互作用，在细胞中却增强异源二聚化。这种看似矛盾的现象可能源于酶活性丧失导致的构象刚性增加。研究人员还发现，引起严重神经发育障碍的突变多位于二聚界面附近(如R534*、M236del、G509S)，而仅导致外周神经病变的突变则集中在活性位点区域(如C342Y、S461F)，为临床表型差异提供了结构基础。

该研究不仅为理解aaRS相关疾病开辟了新视角，也为治疗策略提供了方向。与传统"功能获得性"突变不同，R534*这类"功能丧失性"突变可能需要增加WT蛋白表达而非补充tRNA来治疗。此外，破坏突变体与WT的异源二聚化也可能成为干预靶点。这些发现对广泛存在的二聚体酶相关疾病研究具有重要启示意义。