参与肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆的TDP-43/FUS信号通路的基因鉴定和机制研究

TDP-43 and FUS are nucleic acid binding proteins, and mutations in either of them may cause amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD). We have demonstrated that TDP-43 and FUS are functionally conserved in Drosophila and human, and that FUS acts downstream of TDP-43 in a common signaling pathway. However, it still remains unknown what genes participate the TDP-43/FUS signaling pathway and what is the underlying mechanism. By utilizing the Drosophila eye degeneration phenotype caused by overexpression of TDP-43 or FUS, we have performed a preliminary genetic screen and identified 6 unknown, evolutionarily conserved genes. RNAi knockdown of each of the 6 genes dramatically suppresses the TDP-43 or FUS overexpression induced eye degeneration. Based on these preliminary results, we will further determine which genes participate the TDP-43/FUS signaling pathway and their underlying mechanism with Drosophila TDP-43 and FUS null mutants by a combination of biochemical, molecular, cellular, and behavioral approaches, and then confirm the findings using human induced pluripotent stem (hiPS) cell technique. Completion of this project will identify novel genes in the TDP-43/FUS pathway and elucidate their mechanisms, providing novel theoretical and experimental basis for the diagnosis and treatment of ALS/FTD.

核酸结合蛋白TDP-43和FUS突变均可导致肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）。我们已证实果蝇和人的TDP-43和FUS功能保守，TDP-43和FUS存在于一个共同的信号通路中，且FUS处于TDP-43下游行使功能。然而，哪些基因参与TDP-43/FUS信号通路及其作用机制尚不清楚。我们利用过表达TDP-43或FUS可以导致果蝇眼睛退化进行了初步的遗传筛选，发现有6个未知的进化保守基因分别在RNAi下调后能够显著抑制该眼睛退化表型。本项目将在预研基础上，结合果蝇TDP-43和FUS缺失体,综合生化、分子、细胞、行为等方法来进一步确定参与TDP-43/FUS通路的基因及其作用机制，并用人诱导性多能干(hiPS) 细胞技术进一步验证。本项目的完成将鉴定TDP-43/FUS信号通路的新基因并阐明其作用机制,为诊治ALS/FTD提供新的理论和实验依据。

TDP-43和FUS突变均可导致肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）。果蝇和人的TDP-43和FUS功能保守，且FUS处于TDP-43下游。为了鉴定参与TDP-43/FUS信号通路的基因，我们利用TDP-43或FUS过表达能够导致果蝇眼睛退化的两个模型，筛选了染色体缺失品系，最终发现细胞膜骨架蛋白alpha-Spectrin、去泛素化酶USP10等基因与TDP-43/FUS相互作用。全身过表达alpha-Spectrin可以部分挽救FUS敲除果蝇（caz1）的在羽化率、运动能力、寿命和生育率等方面的缺陷，表明细胞膜骨架蛋白是TDP-43/FUS信号通路关键下游信号，提示细胞膜骨架可能在ALS/FTD病理中起重要作用。而RNAi下调泛USP10表达显著抑制TDP-43引起眼睛退化,过表达USP10则显著增强过表达TDP-43引起的果蝇眼睛退化，USP10与FUS共表达则致死，表明USP10与TDP-43/FUS存在功能上的相互作用。我们进一步发现USP10和TDP-43存在蛋白相互作用。这些结果表明，USP10是TDP-43/FUS信号通路的一个新调控因子。我们还发现一个缺失品系可以导致过表达TDP-43果蝇的死亡，并且该缺失品系可以显著挽救FUS敲除果蝇（caz1）的运动能力，提示该缺失品系缺失了TDP-43/FUS信号通路下游的一个关键抑制因子。我们正在进行基因定位，以确定这个抑制因子是什么基因，这个抑制因子可能是ALS/FTD的治疗靶点。我们还发现了FUS可能通过SREBP来正调控脂代谢。发现TDP-43的199位苏氨酸残基的糖基化对于TDP-43活性至关重要。这些发现为ALS/FTD的诊治提供理论基础和新思路。发现泛素化酶dRNF34调控果蝇肌肉线粒体生成和运动能力以及脂代谢，这些调控是通过泛素化转录辅激活因子dPGC-1进行的，表明在抑制RNF34表达可能是一些代谢病的治疗靶点。此外，我们建立了一种简单、快速、高效地构建UAS-cDNA/ORF质粒文库的新方法，并且已经构建了大约5700个质粒，为最终构建全基因组规模的转基因果蝇文库进而加快基因功能研究打下坚实基础。