TDP-43种子诱导细胞质聚集异质性和核功能丧失

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TDP-43 细胞质聚集 核功能丧失 神经退行性疾病 淀粉样纤维

学术背景

TDP-43（TAR DNA结合蛋白43）是一种主要存在于细胞核中的RNA结合蛋白，参与RNA代谢的多个过程，包括转录、剪接、RNA运输和翻译。然而，在多种神经退行性疾病中，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD），TDP-43会从细胞核中消失并在细胞质中形成不溶性的聚集体。这种细胞质聚集和核功能丧失被认为是疾病发生的关键机制。尽管TDP-43在神经退行性疾病中的重要性已被广泛认可，但其病理机制仍不完全清楚，尤其是在细胞模型中同时重现TDP-43的细胞质聚集和核功能丧失仍然具有挑战性。

为了解决这一问题，本研究旨在通过使用TDP-43低复杂度域（LCD）形成的淀粉样纤维，触发TDP-43的细胞质聚集和核功能丧失，从而模拟人类神经元中的病理特征。通过这一模型，研究人员希望揭示TDP-43聚集的分子机制，并为研究散发性TDP-43蛋白病提供有价值的工具。

论文来源

本论文由Jens Rummens、Bilal Khalil、Günseli Yıldırım等作者共同完成，作者来自VIB-KU Leuven脑与疾病研究中心、Hasselt大学等多个研究机构。论文于2025年5月21日发表在《Neuron》期刊上，题为“TDP-43 Seeding Induces Cytoplasmic Aggregation Heterogeneity and Nuclear Loss of Function of TDP-43”。

研究流程

1. TDP-43 LCD淀粉样纤维的制备与表征

研究人员首先从大肠杆菌中纯化了TDP-43的低复杂度域（LCD），并通过摇动和时间诱导其自发形成纤维状聚集体。通过透射电子显微镜（TEM）观察，发现这些纤维具有典型的淀粉样结构，宽度为16±3 nm，且大多数纤维具有螺旋扭曲。此外，这些纤维在刚果红染色下显示出绿色双折射，表明其具有淀粉样特性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）进一步证实了纤维的淀粉样性质。

为了研究这些纤维是否能够作为种子触发TDP-43的聚集，研究人员将纤维进行超声处理，生成了平均长度为38±13 nm的小片段（种子）。在无细胞环境中，这些种子能够加速单体TDP-43 LCD的聚集，去除了聚集的滞后相。

2. 纤维诱导的TDP-43细胞质聚集

研究人员将超声处理的纤维种子通过脂质体转染引入到表达TDP-43的人类细胞中。结果表明，纤维种子能够触发TDP-43在细胞质中的聚集，并且这些聚集体表现出磷酸化、泛素化和p62积累等病理特征。此外，纤维种子还能够诱导内源性TDP-43从细胞核中消失，并在细胞质中形成聚集体。

通过荧光恢复后光漂白（FRAP）和荧光寿命成像显微镜（FLIM）分析，研究人员发现纤维诱导的TDP-43聚集体具有固体样特性，与液体样的TDP-43液滴明显不同。此外，随着时间推移，TDP-43聚集体表现出形态上的异质性，包括致密的、丝状的和碎片状的聚集体。

3. 纤维诱导的TDP-43核功能丧失

研究人员进一步评估了纤维种子是否能够诱导TDP-43的核功能丧失。结果表明，纤维种子处理导致细胞核中TDP-43水平的显著下降，并引发了RNA剪接缺陷，包括在ALS/FTD相关基因UNC13A中检测到疾病特异性的隐秘剪接。通过RNA测序（RNA-seq），研究人员发现TDP-43聚集和核功能丧失与广泛的转录组变化相关，包括神经退行性疾病相关基因的上调和TDP-43结合靶点的下调。

4. TDP-43聚集体的时间依赖性降解

研究人员还研究了TDP-43聚集体在细胞中的降解过程。结果表明，随着时间的推移，TDP-43聚集体的形态发生变化，从致密的聚集体逐渐转变为丝状和碎片状的聚集体。这种形态变化与蛋白酶体途径的激活有关，蛋白酶体抑制剂能够阻止这种时间依赖性的形态变化。此外，通过限制TDP-43的表达，研究人员观察到TDP-43聚集体的逐渐清除，进一步支持了聚集体降解的假设。

5. 纤维诱导的TDP-43病理在人类iPSC神经元中的表现

最后，研究人员在人类诱导多能干细胞（iPSC）分化的神经元中验证了纤维种子的效果。结果表明，纤维种子能够诱导TDP-43在神经元中的细胞质聚集和核功能丧失，并引发神经元特异性毒性。与细胞系不同，纤维诱导的TDP-43病理在神经元中表现出更强的时间依赖性毒性，表明神经元对TDP-43病理具有更高的敏感性。

研究结论

本研究通过使用TDP-43 LCD淀粉样纤维，成功地在细胞和神经元模型中重现了TDP-43的细胞质聚集和核功能丧失，揭示了TDP-43聚集的分子机制。研究结果表明，TDP-43聚集体的形态异质性与时间依赖性的降解过程相关，并且纤维诱导的TDP-43病理在神经元中表现出更强的毒性。这些发现为研究散发性TDP-43蛋白病提供了有价值的模型，并为未来的药物筛选和疾病机制研究奠定了基础。

研究亮点

  1. 首次使用TDP-43 LCD淀粉样纤维触发TDP-43的细胞质聚集和核功能丧失，成功模拟了神经退行性疾病中的病理特征。
  2. 揭示了TDP-43聚集体的形态异质性与时间依赖性的降解过程，为理解TDP-43病理的进展提供了新的视角。
  3. 在人类iPSC神经元中验证了纤维诱导的TDP-43病理，表明神经元对TDP-43病理具有更高的敏感性。
  4. 提供了广泛的转录组数据，揭示了TDP-43聚集和核功能丧失与神经退行性疾病相关基因的表达变化之间的关系。

研究价值

本研究的科学价值在于揭示了TDP-43聚集的分子机制，并为研究散发性TDP-43蛋白病提供了新的实验模型。通过这一模型，研究人员可以进一步探索TDP-43病理的分子机制，并开发针对TDP-43聚集的治疗策略。此外，本研究还为理解神经退行性疾病中的蛋白质聚集和降解过程提供了新的见解。