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闫创业/戚世乾联合研究揭示C9orf72复合体结构和全新功能

2020/04/19

肌萎缩性侧索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS)和额颞叶性痴呆(frontotemporal dementia,FTD)都属于神经退行性疾病,研究发现C9ORF72(chromosome 9 open reading frame 72)中六核苷酸重复序列(GGGGCC)的大量扩增是ALS和FTD的遗传学病因,但是具体的致病机制还不清晰。


近年来的研究表明C9ORF72能与SMCR8(Smith-Magenis syndrome chromosomal region candidate gene 8)和WDR41(WD40 repeat-containing protein 41)一起形成稳定的复合体(CSW复合体),该复合体可以调节自噬。自噬是细胞内降解较大蛋白聚集体的唯一途径,而蛋白质稳态失调是ALS和FTD的关键病理特征。随着研究的深入,科研工作者证实CSW复合体可能在自噬过程中发挥着多重作用,包括介导ULK1和Rab GTPases的活性,因此该复合体可能通过调控自噬和膜运输来清除神经元中的蛋白聚集体,但具体的调控机制还不清晰,并且该复合体的具体生理功能仍然不明确。


2020年4月17日,PNAS杂志在线发表了四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室的戚世乾研究员和清华大学结构生物学高精尖创新中心闫创业教授合作的题为Cryo-EM structure of C9ORF72-SMCR8-WDR41 reveals the role as a GAP for Rab8a and Rab11a的研究论文,该论文率先报道了人源C9ORF72-SMCR8-WDR41(CSW)复合体近原子分辨率的冷冻电镜结构,并且首次证明了CSW复合体对Rab8a和Rab11a具有体外GAP活性。



在该论文的研究中,作者通过冷冻电镜和Rab活性分析等生化实验探究了其功能,取得较新的研究结果:


1. 报道了人源CSW复合体近原子分辨率的冷冻电镜结构。


2. 证明了CSW复合体是一个二聚体:复合体内三个亚基的摩尔比为2:2:2,不是之前文献中认为的1:1:1。


3. 阐释了CSW复合体中两个CSW原体二聚化的机制:二聚化是由C9ORF72 C端区域和SMCR8的DENN结构域共同介导的,这种结合方式以前还未在DENN结构域中观察到过。


4. 明确了CSW原体的组装机制:WDR41通过C端α螺旋和SMCR8的DENN结构域结合,WDR41和C9ORF72之间没有直接的相互作用。


5. 该论文首次证明了CSW复合体对Rab8a和Rab11a具有GAP活性,且鉴定出SMCR8的Arg147是负责其GAP催化活性的“arginine finger”。


图1  CSW复合体冷冻电镜结构及其对Rab的调控模型。(A)CSW复合体的冷冻电镜结构。(B)CSW原体的组装机制。(C)CSW复合体对Rab的调控模型。


据悉,该论文四川大学和清华大学合作完成,四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室博士生唐丹同学和硕士生盛靖雯、徐良婷同学为并列第一作者;清华大学占谢超同学参与了冷冻电镜数据收集和结构解析;通讯作者为四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室的戚世乾研究员和清华大学结构生物学高精尖创新中心闫创业教授。冷冻电镜数据和分析超离数据主要在清华大学蛋白质冷冻电镜平台和蛋白质制备与鉴定平台收集。


值得一提的是,4月16日,BioRvix发表了题为“Structure of the lysosomal SCARF (L-SCARF) complex, an Arf GAP haploinsufficient in ALS and FTD”,该论文报道了CSW复合体的单体结构,并证明该复合体是一个Arf GTPase。两篇文章共同揭示了CSW复合体做为GAP的功能,这些创新性的发现对于进一步研究CSW复合体的生理功能及其异常导致相关疾病发生的分子机制具有重要的指导意义。



原文链接

https://www.pnas.org/content/early/2020/04/16/2002110117;

https://doi.org/10.1101/2020.04.15.042515