神经退行性疾病相关的RNA结合蛋白FUS引起线粒体损伤的分子机制研究

Dysregulation of FUS, an RNA-binding protein, causes a group of heterogeneous neurodegenerative disorders, named FUS proteinopathy. These common and devastating neurodegenerative diseases are characterized by the formation of inclusion bodies containing nuclear protein FUS in the brain tissue of patients, representing a huge threaten to the health of middle age and elderly people. Substantial efforts have been made to study FUS proteinopathy. Our previous study reveals that transgenic flies expressing Wt or ALS-mutant FUS in different subpopulations of neurons develop progressive neurodegeneration. Remarkably, expression of Wt or ALS-mutant FUS induces mitochondrial fragmentation in the FUS transgenic fly model. Biochemical fractionation and immuno-electron microscopy (IEM) experiments indicate that the FUS protein is also located in mitochondria. More importantly, careful examinations of brain tissue samples from FTLD-FUS patients have revealed not only elevated FUS protein levels, but also increased mitochondrial localization of FUS and severe mitochondrial damage. However, the molecular mechanisms by which FUS induces mitochondrial damage are unclear. In this project, we propose to confirm the FUS interacting protein in the mitochondrion and in-depth study the functional role or pathway of the target protein in the pathogenesis of FUS proteinopathy. This study will provide a potential target in future development of diagnostic and therapeutic tools for a range of neurodegenerative disorders associated with FUS.

RNA结合蛋白FUS的异常引发一组多样化的神经退行性疾病，被统称为FUS蛋白病，其病理特征主要是患者脑组织中呈现FUS蛋白阳性的包涵体。FUS蛋白病严重危害中壮年及老年人群的健康，给老龄化社会带来沉重负担。前期研究发现，FUS转基因果蝇可以表现出神经退行性表型。对模型果蝇的研究发现，过表达野生型或者突变型FUS蛋白，均可引起线粒体损伤。对线粒体进行生化检测和免疫电镜观察，发现FUS蛋白定位于线粒体内。此外，对FTLD-FUS患者的脑组织样本进行深入分析发现，脑细胞中FUS蛋白水平有所升高，继而导致线粒体定位的FUS蛋白水平增加同时伴有严重的线粒体损伤。然而，关于FUS蛋白异常定位导致线粒体损伤的分子机制还有待深入探究。本项目拟通过FUS蛋白病的细胞和动物模型确定FUS蛋白在线粒体内相互作用的分子靶点，对候选分子的功能及参与的通路深入分析，为开发诊断和治疗FUS蛋白病的有效方法提供实验基础。

FUS蛋白病是一组以FUS蛋白阳性包涵体为主要病理特征的神经退行性疾病，病理学分类包括额颞叶痴呆（FTLD-FUS）和肌萎缩侧索硬化症（ALS-FUS）。长期致病机制未明，尚无治疗方法。本研究利用可诱导FUS蛋白稳定表达的细胞系统，对FUS蛋白表达引起细胞死亡的早期检测标志进行探究。实验结果提示，在细胞死亡之前，FUS蛋白已经异常定位到线粒体内，引起线粒体损伤：形态上， FUS蛋白过表达可以引起线粒体嵴的数量减少；功能上，FUS蛋白引起线粒体超极化和ATP合成酶活性下降。利用BN-PAGE实验检测细胞系和果蝇模型中线粒体ATP合成酶的组装和活性，结果发现，FUS蛋白过表达可以引起线粒体ATP合成酶的二聚体（dimer/CV2）和单体（monomer/CV）的酶活性显著降低。Western-blot结果显示，FUS蛋白可以引起果蝇线粒体ATP合成酶的二聚体（dimer/CV2）和单体（monomer/CV）的组装发生异常，表现为超级复合物的蛋白水平显著下降。由于线粒体呼吸链复合物组装异常可以激活线粒体未折叠蛋白反应（mitoUPR），因此，本研究在FUS蛋白病细胞模型和果蝇模型中检测了mitoUPR相关基因的mRNA水平，RT-qPCR结果显示，在细胞和果蝇模型中，FUS蛋白过表达均可以显著地引起mitoUPR相关基因的表达上调，提示mitoUPR过度激活与FUS蛋白病有关。通过对质谱分析以及体外生化实验验证，本研究发现线粒体ATP合成酶β亚基ATP5B可以与FUS蛋白在线粒体内相互作用。在FUS转基因果蝇中下调ATP5B蛋白的表达，可以部分挽救果蝇模型的神经退行性表型。本研究的结果提示了FUS蛋白通过作用于ATP5B引起线粒体ATP合成酶的组装和功能异常，最终引起线粒体损伤，继而导致神经细胞死亡，为日后诊断和治疗该类神经退行性疾病提供了重要的分子靶点。