蛋白质量控制分子EBAX-1在神经发育和神经系统疾病中的作用及分子机制

The development of the nervous system is a highly complex and energy-consuming process, requiring high levels of constitutive protein synthesis, folding and degradation. Translational errors, genetic mutations, and environmental stress can disturb this process and cause protein misfolding and aggregation that jeopardize the health of cells. The protein quality control (PQC) system, consisting of molecular chaperones and protein degradation machinery, has been evolved to protect neurons from these adverse intrinsic and extrinsic factors and suppress developmental errors. However, in contrast to the well-perceived importance of PQC in neurodegenerative diseases, its function and mechanisms in developing neurons are largely unknown. .The applicant’s published work has discovered that a new conserved PQC regulator, EBAX-1, guards the accuracy of axon guidance in developing neurons by coupling the functions of a Cullin-RING E3 ubiquitin ligase and the molecular chaperon Hsp90. EBAX-1 and Hsp90 specifically recognize misfolded ROBO proteins and either facilitate their folding/refolding or promote their degradation if the damage is irreparable. This work, for the first time, demonstrates a new PQC mechanism that regulates neurodevelopment in vivo. In this project, we will carry out a series of molecular genetics, biochemistry, electrophysiology, in vivo imaging, and animal behavior studies, and aim to: (1) determine the working mechanisms of EBAX-1-mediated PQC during the establishment of the locomotion circuit in C. elegans; (2) examine the roles of the vertebrate homolog ZSWIM8 in the developing central nervous system in mouse; (3) explore the pathological relevance of ZSWIM8 in human neural diseases. Completion of this project will give us a thorough understanding of the biological functions of PQC regulators in neurodevelopment, and provide new therapeutic solutions for neurodevelopmental and neurodegenerative diseases.

神经系统的发育需要大量蛋白质被快速地合成、折叠和降解，由分子伴侣蛋白和蛋白降解机器组成的蛋白质量控制系统是维护神经元蛋白质内环境稳定、从而保证其成功发育的关键。然而当前蛋白质量控制在神经发育中的作用及机制的研究非常匮乏。申请人发表于Neuron的研究工作首次发现一个保守的新蛋白EBAX-1通过连接Cullin-RING E3泛素连接酶和分子伴侣Hsp90对神经轴突导向受体ROBO进行双重质量把关，从而确保神经轴突发育的精准性。本课题拟结合分子遗传学、生化、电生理、活体成像、行为学等技术，阐明EBAX-1对线虫的运动神经网络形成的作用、以及其同源蛋白ZSWIM8在小鼠中枢神经系统发育过程中的功能，并探索其与一些神经系统疾病的致病蛋白作用的分子机制及病理学意义。本课题的完成不仅将大幅提升我们对蛋白质量控制分子如何调控神经发育的认识，也为神经发育疾病以及神经退行性疾病提供新的治疗思路。

蛋白质控对维持细胞蛋白稳态和神经发育至关重要，然而蛋白质控的在体作用机制仍然知之甚少。我们此前的工作发现线虫中保守的EBAX类型泛素连接酶通过质控SAX-3/ROBO受体来抑制神经轴突导向错误。本课题重点研究内容包括：（１）系统研究不同生长条件下发育中的神经元对蛋白质控调节分子的依赖性；（２）揭示EBAX-1的小鼠同源体ZSWIM8在大脑发育中的作用和机制。我们得出以下重要结论：.1. 不同类型神经元在发育过程中使用的蛋白质控机制存在差异性。.2. 在环境压力下神经系统需要利用更多的蛋白质控分子来维持发育稳定。.3. EBAX-1的小鼠同源蛋白ZSWIM8在大脑发育过程中广泛表达。.4. ZSWIM8与细胞应激颗粒存在局部共定位，蛋白折叠压力引发更多的ZSWIM8进入细胞应激颗粒。.5. 在中枢神经系统中敲除Zswim8导致部分CKO小鼠出生前后致死，海马齿状回神经前体细胞迁移延迟，颗粒细胞数目下降。.6. 存活的Zswim8 CKO小鼠的海马齿状回呈现永久的形态异常，谷氨酸神经传递受损，和齿状回相关的学习记忆行为有严重缺陷。.7. 生化证据揭示ZSWIM8的在体降解底物是错误折叠的Reelin信号通路接头蛋白Dab1。Reelin信号对神经前体细胞迁移和神经元突触功能非常重要，作为Reelin下游的关键信号分子，错误折叠的Dab1不能被有效地磷酸化激活，需要被及时清除。.8. Dab1是富含无序区域的信号分子，其内源无序区域（IDRs）是被ZSWIM8识别和降解的关键。.9. 生化数据显示和自闭症相关的ZSWIM8突变体其泛素化和降解功能减弱，过表达该突变体导致海马神经元中上膜的AMPAR减少。..这些发现对蛋白质控和神经发育领域做出了重要贡献。第一，我们全面解析了不同神经元在不同生长环境下使用的蛋白质控网络。第二，我们证明ZSWIM8对重要信号分子进行蛋白质控，从而维护神经系统发育的稳定性。第三，ZSWIM8首次被发现和细胞应激颗粒相关，这可能是一种新的蛋白质控调节机制。第四，我们展示了蛋白质控分子通过识别蛋白中的无序区域促进底物降解的重要机制。综上，本课题大幅推进了生理和病理条件下蛋白质控机制的研究，为蛋白质控疾病的干预提供了新思路。..