观点文章

前面。摩尔。Biosci。,11December 2018
秒。RNA网络和生物学
卷5 - 2018 | https://doi.org/10.3389/fmolb.2018.00113

脆性X智力缺陷蛋白:生存还是毁灭是一个转化增强剂

托马斯Maurin ^1、2和

芭芭拉Bardoni ^2、3 ^*

¹大学蔚蓝海岸,CNRS UMR7275,分子和细胞药理学研究所Valbonne,法国
²Valbonne CNRS LIA“Neogenex”,法国
³大学蔚蓝海岸、INSERM CNRS UMR7275,分子和细胞药理学研究所Valbonne,法国

脆性X综合征(FXS)是一种神经发育障碍的沉默脆性X智力迟钝1 (FMR1;Maurin et al ., 2014)。患者智力障碍的影响变量严重程度和他们还可以显示一个广泛的行为改变,如多动、注意力不集中、焦虑、语言和癫痫的赤字。有趣的是,FXS病人显示几个自闭症谱系障碍(ASD)的症状,包括社会功能障碍,多动症,刻板动作,拍手和hand-biting,语音延迟,和富有表现力的语言能力相对缺乏。总的来说,~ 30%患者FXS满足ASD(完整的诊断标准哈里斯et al ., 2008),而超过90%的患者FXS显示一些自闭症症状(埃尔南德斯et al ., 2009)。事实上,FXS被认为是一个形式的自闭症谱系障碍(https://www.spectrumnews.org/news/fragile-x-syndromes-link-autism-explained/),因此是这种疾病的小鼠模型(Melancia Trezza, 2018)。的FMR1蛋白质编码基因脆性X智力迟钝,港口三个规范rna结合域(KH1 KH2, RGG-Box)除了核本地化信号(NLS)和核出口信号(NES;Bardoni et al ., 1997)。蛋白主要定位于细胞质中,它是一个组件的核糖核蛋白复合体(rnp)与多核糖体(Maurin et al ., 2014)。FMRP关联,在神经元突触多核糖体RNA颗粒是一个组件,RNP复合物mrna树突和轴突运输(Khayachi et al ., 2018)。FMRP的出现在细胞核和核仁已经记录(Okray et al ., 2015),即使现在还不清楚如果这参与一些神经元功能以外的mrna的核出口,作为特定的一部分mRNPs穿梭于细胞核和细胞质之间(Bardoni et al ., 2006;Maurin et al ., 2014)。此外,FMRP通常被认为是一个多功能蛋白质不仅由于其含义各步骤的RNA代谢与细胞骨架,还因为它的交互组件(Abekhoukh Bardoni, 2014;Maurin et al ., 2014)和离子通道(铁试剂,2016;他们et al ., 2018)。总的来说,这些发现表明,FMRP可能协调各个步骤与其他细胞的RNA代谢功能。然而,在一般的方式,转化调控FMRP的功能,研究人员在该领域主要研究。在这方面,最近的手稿”脆性X智力迟钝1基因提高了大型自闭症蛋白质”的翻译由格林布拉特和Spradling (格林布拉特Spradling, 2018)更新困境有关FMRP的功能(Maurin et al ., 2014;达尔,2018)。虽然教条“FMRP平移阻遏”存在,越来越多的在过去的18年公布的数据表明一个更复杂的暗示这种蛋白质的转化控制(见Maurin et al ., 2014审查)。事实上:

1。蛋白质的一个子集——由FMRP RNA编码的目标已被证明逃避FMRP-dependent平移镇压在老鼠和人类大脑,如SAPAP UNC13, KIAA1091, TP63,酪蛋白激酶1γ2,NAP-22 (布朗et al ., 2001);Sod1 (Miyashiro et al ., 2003;Bechara et al ., 2009),Ascl1 (Fahling et al ., 2009),Kv4.2 (总值et al ., 2011),NOS1 (关颖珊et al ., 2012)和Dgkk (感觉et al ., 2016);

2。FMRP的专门的mRNA结合Sod1及其协会多核糖体减少老鼠Fmr1-KO细胞进一步证实在活的有机体内(Bechara et al ., 2009;Davidovic et al ., 2011;Nolze et al ., 2013),在网上(Cirillo et al ., 2013首先观察(后)Miyashiro et al ., 2003)。这导致Sod1信使rna片段的鉴定,名叫SoSLIP (Sod1茎环与FMRP交互)特别受FMRP的约束。值得注意的是,SoSLIP能够提高翻译水平的记者蛋白质,作为增强剂的翻译本身房地产会使FMRP的存在(Bechara et al ., 2009)。这表明,同一ribonucleoproteic复杂的各种组件定义FMRP分子的作用是很重要的;

3所示。平移FMRP镇压的大脑似乎发展有关,如比较突触蛋白的表达水平在17岁患产后抑郁症和45患产后抑郁症Fmr1-null老鼠大脑中与野生型(唐et al ., 2015)。事实上,在皮层synaptosomal准备这些蛋白质的表达是高度管制相比,老鼠Fmr1-KO控制只有17岁时患产后抑郁症。此外,在一些地区成人的大脑FXS病人,翻译速度不是不同与控件(相比秦et al ., 2013;预et al ., 2018)。总的来说,这些发现表明spatio-temporal-dependent FMRP的函数,也显示了平动的监管Ascl1新生小鼠大脑中增强(Fahling et al ., 2009),但压抑在小鼠胚胎干细胞(Khalfallah et al ., 2017)。提供的这样一个监管的另一个例子是区域化的监管GRK4表达式通过FMRP仅限于成人小脑(Maurin et al ., 2015)。我们最近发表的一个大的mrna FMRP调制的特定大脑区域的年轻老鼠(Maurin et al ., 2018 a)。不出意料,FMRP目标特征的重叠是有限HEK细胞(Ascano et al ., 2012),它有更高的目标从剪辑使用老鼠大脑总提取物(达内尔et al ., 2011)。

通过使用核糖体剖析,最近的一项研究相比mrna相关翻译多核糖体在鼠标成人神经干细胞(aNSC)的存在和没有FMRP (刘et al ., 2018)。在图1,我们的结果显示重叠的mrna分析发现不同翻译Fmr1ko aNSC FMRP目标之前发现HITS-CLIP (达内尔et al ., 2011;Maurin et al ., 2018 a)。一方面,我们观察到199 mrna显示减少的翻译Fmr1空细胞(其中三个是FMRP根据的目标达内尔et al ., 2011和Maurin et al ., 2018 a,而七只有被发现Maurin et al ., 2018 a)。另一方面,200年mrna显示增加了翻译Fmr1空细胞[4 FMRP先前发现的目标达内尔et al ., 201121人发现的Maurin et al ., 2018 a和26是常见的两个研究)(图1)。考虑新老数据,我们可以得出结论,FMRP主要是转化的抑制因子,至少在哺乳动物的发展。现在,格林布拉特& Spradling表明,卵母细胞dFMR1——FMRP的飞同族体和它的两个假字FXR1P FXR2P,脆性X染色体相关蛋白家族成员(FXRP) (Drozd et al ., 2018)——增强而不是压制mrna的子集的翻译。因此,怎么可能调和前数据与新发现?这是一个很重要的问题由于平移控制的关键作用在大脑正常功能(Sossin柯斯塔-马提欧利,2018年)。值得强调的是,飞dFMR1必须实现本身的功能这三个哺乳动物FXS蛋白质即使不可能排除每个哺乳动物FXR蛋白质具有特殊的属性或修复功能,因为它显示了FXR1P肌肉亚型(Bechara et al ., 2007;Davidovic et al ., 2013;赫尔曼et al ., 2018)。此外,除了FMRP的各自作用FXR家族的其他成员在平移监管还没有详细的研究到目前为止(Bardoni et al ., 2006;Maurin et al ., 2014;Drozd et al ., 2018)。因此,例如,有可能是其中一个(或者全部)行为转化剂在哺乳动物卵巢。事实上,某些刺激条件下,FXR1P已经证明像单核细胞的细胞系转化剂(Vasudevan施泰茨,2007年)。此外,在哺乳动物细胞中,我们不能排除没有FXR的成员可以通过另一种蛋白质的功能补偿属于同一家族。这不会发生在飞由于单个FXR基因的存在。总之,关于FMRP的分子功能,研究几个方面应该关注的元素可能会影响其功能,在未来。

图1

图1。平移管制mRNA FMRP的目标。在维恩图(左边),我们提出的重叠mrna多核糖体WT和相关差异Fmr1ko aNSC (刘et al ., 2018总大脑()和FMRP先前确定的目标达内尔et al ., 2011)或在大脑区域(Maurin et al ., 2018 b)。产生这些数据,我们认为10.716记录被发现表达在细胞研究在所有三个作品(考虑“表达”的信使rna Log2输入数量等于或大于0)。只有399/10.716成绩单观察转化管制Fmr1零aNSC (刘et al ., 2018),然后考虑剪mRNA的重叠(1236Maurin et al ., 2018 a和682年从达内尔et al ., 2011)。表(右边)显示平移调制mrna的身份已经被描述为直接目标FMRP (达内尔et al ., 2011;Maurin et al ., 2018 b)。我们用红色突出显示的目标mrna的剪辑中找到Maurin et al ., 2018 a,蓝色的达内尔et al ., 2011在这两项研究发现,在黄色抄件。

重要的是,我们和其他人表明FMRP / RNA相互作用的基础是理解其功能的关键(达内尔et al ., 2001,2011年;Schaeffer et al ., 2001;Bechara et al ., 2009;Ascano et al ., 2012;苏尔et al ., 2014;Maurin et al ., 2015,2018年,一个;安德森et al ., 2016)(见1)。问题是哪些rna受FMRP的组织,在开发过程中在什么时候以及如何?目前尚不清楚如何解释FMRP的功能和其他RNA结合蛋白不知道他们的RNA结合特异性。重点理解RNA / FMRP交互的分子基础是建立这种蛋白质是否识别结构(数据2 a - c),和/或一个序列基序(数字2 e, F)。我们最近发现,常见的短序列目标mrna FMRP承认当上下文中的RNA二级结构(Maurin et al ., 2018 a)我们曾假设研究GRK4 RNA相互作用FMRP (G4RIF)主题,受FMRP GRK4 mRNA (G protein-coupled受体激酶4;Maurin et al ., 2015)。我们开始从structure-seq数据集在小鼠胚胎干细胞(ES);郭,2016),我们评估我们确认的图案是否从事沃森克里克配对体内。为此,我们计算一个unpairing得分为每个基地都表达了自己的成绩单。我们得到一个分数为每个主题受FMRP相比,我们的图案嵌入FMRP绑定网站或其他地方的成绩单。我们的分析清楚地表明,CUGKA, GWRGA和UAY图案出现在地区受FMRP DMS修改更容易在活的有机体内比的同源图案出现在相同的记录(Maurin et al ., 2018 a)。这表明FMRP普遍地认识到主题介绍了单链区域或茎环结构的循环序列。同时,集群WGGA主题确定的Ascano et al。(2012)提出了形成RNA G-quadruplex形成结构FMRP的目标(苏尔et al ., 2014;安德森et al ., 2016)。这一发现也支持我们的结果(Maurin et al ., 2018 a)显示一个浓缩的mrna的FMRP G-quadruplex结构目标。总的来说,这些发现明确表明FMRP识别和结合结构图案。例如,它提出了G-quadruplex形成结构可以稳定FMRP和阻止多核糖体扫描时位于5 'utr FMRP的目标mRNA (Melko Bardoni, 2010),从而解释了FMRP阻遏的翻译的角色。此外,尽管FMRP识别结构图案,序列存在的可能转化行动的关键。事实上,我们和其他人(安德森et al ., 2016;Maurin et al ., 2018 a)表明,FMRP结合位点位于mRNA广汽密码子编码区域丰富。这仍是一个无法解释的功能FMRP绑定了一段时间,但最近的一份报告新光源在这个令人困惑的观察。海关总署密码子由m38C_tRNA解码_Asp,高度修改tRNA窝藏GUC反密码子带着超级修改鸟苷称为Queuosine (Q)。问只是通过微生物群或食物提供,因此Q-tRNA可能带来营养控制蛋白质的翻译。在哺乳动物细胞,问剥夺摊位核糖体广汽密码子和一个较小的程度上near-cognate密码子(Tuorto et al ., 2018)。集体这些发现导致猜测FMRP的摊位polyribosomes-one提出的机制来解释的角色转化FMRP的抑制因子(达内尔et al ., 2011;里希特和科勒,2015)——有关m38C_tRNA _Asp新陈代谢。这可以从几个方面来实现,例如,FMRP可以调节tRNA queuosinylation或病原反应步骤,或者,可能与这个tRNA延伸其P网站入住率的核糖体(陈et al ., 2014)。在这种背景下,广汽密码子mRNA编码区域的百分比可以定义FMRP的抑制因子的作用。有趣的是,除了SoSLIP-enhancing translation-other RNA图案一直到目前为止有关FMRP镇压的能力翻译(达内尔et al ., 2001,2005年;Schaeffer et al ., 2001;Ascano et al ., 2012;Maurin et al ., 2015,2018年,一个;安德森et al ., 2016)。然而,直到现在,后者主要研究函数,因此毫不奇怪,大多数主题受FMRP与地位相关联翻译阻遏。我们只能推测,这些分子机制在果蝇中保存,因此分子研究尚未发表(Drozd et al ., 2018;格林布拉特Spradling, 2018)。

图2

图2。RNA主题受FMRP的约束。主要结构和序列受FMRP列出。(一)G-quadruplex (Schaeffer et al ., 2001)结构表示和一些目标FMRP窝藏G-quadruplex列出(达内尔et al ., 2001;Schaeffer et al ., 2001;Castets et al ., 2005;Maurin et al ., 2018 a);(B)亲吻循环(达内尔et al ., 2005)。没有发现到目前为止自然mrna窝藏这个结构。(C)SoSLIP被发现在Sod1信使rna,它跨越这个mRNA的8月,也是IRES主题(Bechara et al ., 2009)。在黄色的短的图案被(Ascano et al ., 2012)(见E)表示。(D)G4RIF中发现GRK4信使rna (Maurin et al ., 2015)。在黄色的短的图案被(Ascano et al ., 2012)(见E)是表示;(E)发现在HEK PAR-CLIP细胞(Ascano et al ., 2012)。(F)序列,我们已经确认为丰富的RNA片段受FMRP造成分析HIT-CLIP各脑区(Maurin et al ., 2018 a)。主题泰也表示FMRP的主要目标(安德森et al ., 2016)通过比较前两个剪辑化验(达内尔et al ., 2011;Ascano et al ., 2012在大脑总)进行提取和HEK细胞,分别。

第二个关键点,应考虑解释FMRP抑制因子和增强剂的双重作用的翻译是由FMRP的扶少团团员,可以有不同的表达模式(Bardoni et al ., 2006;Bonaccorso et al ., 2015)。这些蛋白质可以修改FMRP的特异性RNA绑定,例如FXR1P在大脑(Bechara et al ., 2007),这可能产生这种蛋白质的作用不同的机制(3)点讨论。然后可能——考虑到最新发现的不同功能dFMR1大脑的结果相比,卵母细胞从组织的存在——具体FMRP相互作用的蛋白质。此外,FMRP充当ribonucleoproteic复杂的一部分,其功能应考虑rnp的上下文中有不同的角色在细胞(突触从核出口、运输,运输多核糖体和压力颗粒之间或P-Bodies;Maurin et al ., 2014),可能的是,由不同的刺激,神经元的刺激(如受体Khayachi et al ., 2018)。相互作用的蛋白质的识别FMRP能够修改它的识别能力和绑定信使rna可以代表一个线索理解FMRP的多个函数,因为在不同亚细胞隔间(如细胞核、细胞质、突触)不同的蛋白质。

观测所代表的另一个关键点是,在缺乏FMRP,显示一组其mRNA目标是减少运输突触(Dictenberg et al ., 2008),而它被描述的树突运输两个目标mrna增强(Vicario et al ., 2015;Maurin et al ., 2018 a)。这意味着,在缺乏FMRP的情况下,增加或减少的翻译水平可能是由于大量的mRNA的改变可以活跃翻译核糖体在soma和/或由于营业额的改变突触mRNA运输核和躯体之间soma和突触(神经细胞),而不是由其他分子失调(或补充)。在我们看来,这个元素也是很重要的理解的结果格林布拉特& Spradling因为苍蝇卵母细胞分化的细胞信使rna分布严格监管,类似于神经元(马丁,比如说,2009年)。

最后但并非最不重要,翻译修饰FMRP可以修改它的功能。例如,sumoylation已被证明有强烈影响的能力FMRP与合作伙伴和生成复合物(Khayachi et al ., 2018),因为它涉及到一个域,对蛋白质/交互(至关重要Bardoni et al ., 1999;Adinolfi et al ., 2003;拉莫斯et al ., 2006)。

总之,现在正确的时间更新FMRP的行动的机制研究。这确实是了不起的的研究刘et al。(2018)(见图1传说)表明,绝大多数的FMRP mRNA目标(75%:达内尔625/830的目标数据集相关的多核糖体)不是在abse调制FMRP的机会,在我们看来主张强势意味着FMRP-containing mRNPs mrna的储存和运输,而不是在平移的监管。迄今为止FMRP的作用主要是研究转化调控可能由于其协会多核糖体(卡宾et al ., 1997;Khandjian et al ., 2004),符合翻译之间存在的联系和mGluR-dependent长期抑郁,据报道被夸大了Fmr1ko (Huber et al ., 2002)。突触鉴于FMRP的特定角色,这将是有趣的突触间的重现这一分析,通过利用,例如,单一细胞RNA技术研究FMRP的含义在细胞内RNA贩卖或当地翻译(Pichon et al ., 2018)。很容易推测,而主题受FMRP和位于编码mRNA的地区主要是平移监管有关,图案出现在3 'utr地区更加FMRP的30%目标mRNA (Maurin et al ., 2018 a)本地区港口一个主题——参与过程精确的子细胞的位置和/或成熟。

很明显,这种蛋白质的功能是密切相关的鉴定治疗FXS,失踪,的确,(他们et al ., 2017)。在这种背景下,值得注意的是注意到FMRP的新的治疗目标,磷酸二酯酶2 (PDE2A;Androschuk et al ., 2018;Maurin et al ., 2018 b)已经被HITS-CLIP (达内尔et al ., 2011;Maurin et al ., 2018 a),在过去的应用通过免疫沉淀反应FMRP RNP老鼠大脑(布朗et al ., 2001;西德马克et al ., 2016)。此外,使用组合的3期临床试验正在进行各种抗氧化剂治疗FXS病人(NCT02942498),建议SOD1的事实是少用鼠标Fmr1 -KO细胞(Bechara et al ., 2009),因此,氧化应激的标记描述了婴儿和成人的大脑Fmr1空鼠(El Bekay et al ., 2007;de Diego-Otero et al ., 2009;Davidovic et al ., 2011)。

作者的贡献

两位作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。

资金

BB支持由医学基金会(农场)DEQ20140329490,杰罗姆·勒基金会等精选的苏尔勒基金会Cerveau (FRC)。anr - 15 - ce16 - 0015和anr - 11 - labx - 0028 - 01。TM Fraxa支持基础。

利益冲突声明

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

我们感谢恩佐Lalli和卡罗尔Gwizdek的批判阅读手稿,弗兰克为富有成果的讨论和弗兰克·阿古里亚·马丁艺术工作。

引用

Abekhoukh, S。,和Bardoni B。(2014). CYFIP family proteins between autism and intellectual disability: links with Fragile X syndrome.前面。细胞。>。8:81。doi: 10.3389 / fncel.2014.00081

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