非ATG依赖翻译的二肽重复蛋白导致突触障碍及机制研究

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating motoneuron degenerative disease in which lower motoneurons loss the control of skeletal muscles. Degeneration of neuromuscular junction (NMJ) occurs at the initial stage of ALS. Dipeptide repeat (DPR) proteins from GGGGCC repeat-associated non-ATG (RAN) translation cause C9orf72-associated ALS (C9-ALS). DPR inclusion burdens are correlated weakly with neurodegenerative areas in C9-ALS patients, indicating that DRPs have an additional cell non-autonomous function. Here, we report that poly-GA, the most abundant form of DPRs in C9-ALS, could be released from cells. Local administration of poly-GA at peripheral synaptic regions causes muscle weakness and impairs neuromuscular transmission in vivo. Mechanisms studies identified that extracellular poly-GA could sequestrate the soluble agrin ligand and inhibit agrin-MuSK signal. We plan to apply GA antibody to neutralize the neurotoxicity of Poly-GA. Our research will provide a novel pathological mechanism of poly-GA by impairing NMJs in C9-ALS. Targeting NMJs could be as an early therapeutic intervention for ALS.

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的运动神经元疾病。神经肌肉接头(NMJ)病变是ALS早期病理特征。C9orf72基因内GGGGCC高度重复引起ALS，重复序列的非ATG依赖的翻译产物二肽重复蛋白（DPR）具有神经毒性，但其导致NMJ病变的作用和机制还不清楚。我们发现：二肽重复蛋白Poly-GA能够释放到胞外，螯合agrin抑制AChR聚集，引起NMJ稳态失调，导致神经递质传递障碍和肌肉功能受损。我们推测：在C9orf72-ALS发病早期，轴突末端释放的Poly-GA能够破坏NMJ稳态，从而逆向引起运动神经元病变。我们将结合电声理、行为学、分子细胞实验，研究Poly-GA破坏NMJ稳态的体内作用，和Poly-GA抑制AChR聚集的体外机制，并利用GA抗体中和Poly-GA的神经毒性。本课题有助于理解胞外DPR蛋白引起NMJ病变的ALS早期发病机制，并为其他微卫星重复扩增疾病提供研究思路。

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命的运动神经元疾病，运动神经元退变导致无法控制骨骼肌收缩，目前临床上缺乏有效的药物。神经肌肉接头（Neuromuscular Junction, NMJ）是运动神经元与骨骼肌之间的突触连接，神经元通过NMJ控制肌肉收缩。NMJ障碍是ALS发病过程中的早期病理特征。因此，研究ALS致病基因如何引起NMJ结构和功能的障碍，有助于我们深入了解ALS早期病变的病理机制，并寻找可能的药物靶点。C9orf72基因内含子区域GGGGCC高度重复是ALS的最主要遗传因素。GGGGCC重复引起ALS的一个重要病理机制是因为重复序列能够不依赖进行翻译生成二肽重复蛋白（DPR）。其中含量最高的Poly-GA容易形成蛋白聚集造成神经毒性，但其是否直接导致NMJ病变的作用和机制还不清楚。通过电声理、行为学、分子细胞等一系列实验，我们发现二肽重复蛋白Poly-GA能够被细胞释放到胞外，结合到骨骼肌的NMJ突触区域。蛋白质组学提示Poly-GA蛋白能够螯合凝集素agrin，减少可溶性的agrin蛋白，从而无法充分激活MuSK激酶，导致AChR聚集受抑，最终引起NMJ稳态失调，导致动物的神经肌肉的递质传递障碍和肌肉功能受损。这个发现说明在C9orf72-ALS发病早期，轴突末端释放的Poly-GA能够破坏NMJ稳态，从而逆向引起运动神经元病变，支持了ALS的逆行病变假说。利用GA抗体中和Poly-GA的神经毒性可能是治疗ALS的手段。通过该课题研究，有助于我们了解C9orf72-ALS早期发病的新机制，为ALS早期诊断和干预提供新思路。我们的研究对其他微卫星重复序列疾病的致病机理也有一定的借鉴意义。