核糖体病相关突变引起蛋白质毒性应激,TOR抑制可缓解该应激

Ribosomopathy-associated mutations cause proteotoxic stress that is alleviated by TOR inhibition.

作者信息Carles Recasens-Alvarez, Cyrille Alexandre, Joanna Kirkpatrick, Hisashi Nojima, David J Huels, Ambrosius P Snijders, Jean-Paul Vincent
PMID33495632
发布时间2021-02
DOI10.1038/s41556-020-00626-1

实验完整度

高

果蝇模型与HEK293细胞,结合遗传操作、蛋白组学和功能验证(凋亡、自噬、TOR抑制)

主要模型

果蝇RPS23R67K/+杂合子 果蝇RPS26条件性敲除杂合子 HEK293 RPS23R67K/R67K细胞

重点核对

RPS23R67K/+和RPS26KO/+果蝇 wing imaginal disc中凋亡(Dcp1)和蛋白质毒性应激标志物(p62、P-eIF2α、泛素)的检测 OPP掺入实验:1 μM 15分钟或20 μM 30分钟处理,评估蛋白质合成速率和聚集 雷帕霉素处理:40 μM喂食48小时,检测凋亡覆盖率 GADD34过表达或Atg1RNAi对凋亡和HTT25Q聚集的影响 蛋白质组学分析:50个wing imaginal disc,label-free质谱

摘要

核糖体是合成所有细胞蛋白质的多组分分子机器。可以理解的是,编码核糖体蛋白质组分的大多数基因是必需的。基因剂量减少通常是可存活的但有害的,并与人类综合征相关,这些综合征统称为核糖体病。这些病理的细胞生物学基础仍不清楚。在这里,我们在果蝇中模拟人类核糖体病,发现由此产生的动物中广泛的凋亡和细胞应激。这不是由合理预期的蛋白质合成不足引起的。相反,核糖体蛋白缺乏引发蛋白质毒性应激,我们认为,这是由错误折叠蛋白的积累压垮蛋白质降解机器引起的。我们发现,抑制整合应激反应或自噬会加重核糖体蛋白缺乏造成的伤害,表明这些活动可能具有细胞保护作用。抑制TOR活性——其可抑制核糖体蛋白产生、减缓蛋白质合成并刺激自噬——减少了我们的核糖体病模型中的蛋白质毒性应激。刺激自噬的干预措施,结合增强蛋白质质量控制的手段,可能构成针对这类疾病的治疗策略的基础。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
核糖体病相关突变导致的细胞病理机制是什么?蛋白质合成不足是否为应激和凋亡的原因?
核心机制
核糖体蛋白缺乏导致未组装核糖体蛋白积累,压垮蛋白质降解机器,引发蛋白质毒性应激和凋亡;P-eIF2α和自噬具有细胞保护作用,TOR抑制可缓解应激。
主要证据
果蝇RPS23R67K/+和RPS26KO/+模型显示凋亡、p62、泛素和P-eIF2α增加,HTT25Q聚集增多;蛋白质组学显示小亚基核糖体蛋白减少;GADD34过表达或Atg1RNAi加重凋亡;雷帕霉素或RhebRNAi减少凋亡和p62。
研究意义
提出蛋白质毒性应激而非蛋白质合成不足是核糖体病病理的驱动因素,提示刺激自噬联合增强蛋白质质量控制可能成为治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

构建核糖体病果蝇模型

模拟人类RPS23R67K突变并验证其表型

利用CRISPR/Cas9将RPS23第三外显子替换为编码R67K的版本,获得RPS23R67K/+果蝇;观察刚毛长度和发育时间。

2

检测核糖体蛋白缺乏组织的凋亡和应激

确定核糖体蛋白缺乏是否引起细胞凋亡和应激

在RPS23R67K/+和RPS26KO/+ wing imaginal disc中检测Dcp1、JNK信号和Xrp1;利用FLP/FRT产生杂合区域。

3

评估蛋白质合成速率

验证核糖体蛋白缺乏是否降低蛋白质合成

在离体wing imaginal disc中进行OPP掺入实验,点击化学检测新合成肽段。

4

检测蛋白质毒性应激标志物

确定核糖体蛋白缺乏是否引发蛋白质毒性应激

检测泛素化、p62、P-eIF2α、溶酶体扩大和HTT25Q聚集;在HEK293 RPS23R67K/R67K细胞中验证p62积累。

5

分析蛋白质组变化

探究未组装核糖体蛋白的贡献

对RPS23R67K/+和野生型wing imaginal disc进行label-free质谱分析。

6

验证P-eIF2α和自噬的细胞保护作用

确定整合应激反应和自噬是否限制核糖体蛋白缺乏的毒性

过表达GADD34降低P-eIF2α,或表达Atg1RNAi抑制自噬,检测凋亡和HTT25Q聚集。

7

测试TOR抑制的缓解作用

验证抑制TOR是否减轻蛋白质毒性应激和凋亡

在RPS23R67K/+背景下表达RhebRNAi或喂食雷帕霉素,检测凋亡和p62。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Click-iT Plus OPP Alexa Fluor蛋白质合成检测试剂盒ThermoFisherC10456, C10457
雷帕霉素Sigma37094
Nano-Glo双荧光素酶报告基因检测系统PromegaN1610
G418SigmaG8168
兔抗Dcp1抗体CST9578
兔抗磷酸化eIF2α抗体(克隆D9G8)CST3398
鼠抗泛素抗体(克隆FK2)Merck04-263
鼠抗人p62抗体(克隆2C11)Novus BiologicalsH00008878-M01
溶酶体红色DND-99ThermoFisherL7528
Dulbecco改良Eagle培养基ThermoFisher31966021
胎牛血清ThermoFisherA3160402
青霉素/链霉素ThermoFisher15140122
大鼠抗Ci抗体DSHB2A1
鼠抗Nub抗体DSHB2D4
鼠抗Wg抗体DSHB4D4
Alexa Fluor二抗ThermoFisherA32731, A32732, A32723, A32727, A-21247
DAPISigmaD9542
无甲醇甲醛Pierce, ThermoFisher28906
正常山羊血清ThermoFisher01-6201
Halt蛋白酶/磷酸酶抑制剂ThermoFisher78441

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
RPS23R67K/+和RPS26KO/+果蝇模型构建
遗传背景、CRISPR/Cas9同源定向修复的供体载体和gRNA、FLP/FRT重组效率
阅读提示:Methods: Genomic engineering of flies and HEK293 cells; Supplementary Table 1
OPP掺入实验
OPP浓度(1 μM或20 μM)、孵育时间(15分钟或30分钟)、Click-iT反应条件
阅读提示:Methods: Puromycin incorporation assay; Figure 1j,k和图2a,b
雷帕霉素处理
雷帕霉素浓度(40 μM)、喂食时间(48小时)、幼虫阶段(早期L3)
阅读提示:Methods: Rapamycin treatment; Figure 5c-e
凋亡定量
wing pouch区域定义、Dcp1阳性细胞分割阈值、样本量(n=10-29 discs)
阅读提示:Methods: Quantification of apoptosis in imaginal discs; Figure legends
蛋白质组学分析
50个wing imaginal disc、裂解缓冲液组成、胰酶和LysC消化比例、质谱参数
阅读提示:Methods: Proteomic analysis; Supplementary Table 2