UPF1调控C9orf72基因G4C2重复扩增序列的翻译产物毒性双肽蛋白的机制研究

The aberrant accumulation of the dipeptide repeat (DPR) proteins produced by GGGGCC repeat associated non-AUG(RAN) translation is the main pathogenic mechanism of the hexanucleotide G4C2 expansion in C9orf72 gene. We performed the human genome-wide CRISPR-Cas9 screens for endogenous modifiers of DPR production. We identified two genes, UPF1 and SMG6, of which both are the nonsense mediated decay factors. We further confirmed the effect of UPF1 on the production of poly GA(poly Glycine-Alanine) with our dual-luciferase mini-gene splicing reporter cell. In this study, we will investigate the effect of UPF1 on the DPR production from G4C2 expansion and the underlying mechanism behind this effect. This study will for the first time address the potential effect and the underlying mechanism of UPF1 regulating the DPR production from G4C2 repeats, and it may provide a novel therapeutic target to treat the inherit neurodegenerative disease with nucleotide repeat expansion.

GGGGCC六核苷酸重复序列介导的非AUG启动子依赖翻译产物毒性双肽蛋白是C9orf72基因突变的主要致病机制之一。我们在前期工作中通过人类全基因组CRISPR-Cas9敲除慢病毒文库筛选获得了能特异性调节G4C2 RAN翻译产物水平的内源性调节基因，其中UPF1及SMG6均为无义介导的mRNA降解信号通路相关基因。随后我们在双荧光素酶C9orf72 mini-gene剪接报告载体细胞中进一步验证了UPF1敲除会上调G4C2 RAN翻译产物聚甘氨酸-丙氨酸。在本课题中，我们将研究UPF1对C9orf72 G4C2 RAN翻译产物的调节作用及其分子机制，以及以NMD信号通路为靶点减缓神经元死亡的可能性。本课题将首次在细胞及分子水平上发现NMD信号通路对G4C2 RAN翻译产物的调节作用及分子机制，为临床上治疗核苷酸重复扩增突变的神经退行性疾病提供新的思路。

UPF1蛋白是无义介导的 mRNA 降解（ nonsense mediated RNA decay,NMD ）信号通路的核心蛋白，已有多项文献证明UPF1蛋白表达增加对多种神经退行性疾病具有重要保护作用。C9orf72 GGGGCC六核苷酸重复序列（(G4C2)n）扩增突变是导致肌萎缩侧索硬化症及额颞叶痴呆（ALS/FTD)最常见的遗传突变基因，(G4C2)n介导的非AUG启动子依赖翻译（Repeats Associated Non-AUG translation, RAN翻译）产物毒性双肽蛋白（Dipeptide Repeats, DPRs）是导致C9orf72相关ALS/FTD的主要致病机制之一。我们前期通过人类全基因组CRISPR-Cas9敲除慢病毒文库筛选了G4C2 RAN翻译产物的调控基因，并在本项目中重点研究了UPF1调控DPRs的作用及分子机制。我们发现敲除UPF1蛋白可上调RAN翻译产物水平，而过表达UPF1则能抑制RAN翻译产物水平，且这种抑制作用依赖于UPF1的ATP酶及解螺旋酶活性。分子机制层面，我们发现UPF1对RAN翻译产物的调控作用并非发生于RNA水平，而是UPF1与翻译起始因子EIF3A相互作用抑制了（G4C2）n RAN翻译。我们的研究结果提示UPF1可与翻译起始因子EIF3A相互作用，抑制RAN翻译发生，减少RAN翻译产物水平，这将为临床上治疗核苷酸重复扩增突变的神经退行性疾病提供新的思路。