畸形蛋白质会造成诸多问题——特别是在神经退行性疾病中。但一项新研究表明，给予它们一点额外支持可能有助于保持其正常工作，甚至逆转已造成的损害。
短RNA伴侣通过变构机制对抗TDP-43聚集并提供神经保护。Credit: 《科学》(2026). DOI: 10.1126/science.adv3301
这项新研究聚焦于一种异常蛋白质TDP-43，它在细胞核中与RNA结合，负责调控数千个人类基因。如果TDP-43从健康的、类似液体的状态转变为患病的、纤维状的固体聚集物，其存在可能是致命的。
这种蛋白质是肌萎缩侧索硬化症(ALS)和额颞叶痴呆症(FTD)的关键致病因素之一——这一发现最初由宾夕法尼亚医学中心的先驱科学家Virginia M.-Y. Lee博士和已故的John Trojanowski博士做出。
目前尚无ALS或FTD的治愈方法，但这一状况可能会改变。在发表于《科学》杂志的一项研究中，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员报告称，短RNA分子可以逆转TDP-43的聚集并恢复其功能，这是向开发针对ALS和FTD的RNA疗法迈出的重要一步。
"在这些疾病中，你实际上在对抗两件事：TDP-43在细胞核中功能的丧失——破坏RNA剪接和加工——以及通过蛋白质聚集在细胞质中获得的毒性功能，"宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院生物化学和生物物理学教授、该研究资深作者James Shorter博士说。
近二十年来，与Lee和Trojanowski的发现同时并随后，Shorter一直研究TDP-43错误折叠的原因和机制，并寻求预防和逆转它的方法。
为致病蛋白提供RNA伴侣如何帮助稳定其形状和功能
当TDP-43错误折叠并在细胞质中聚集时，它不再执行其在细胞核中调控RNA的正常功能，并形成有毒聚集物。但Shorter和他的同事发现，短RNA伴侣可以逆转TDP-43聚集并恢复其功能。
短RNA伴侣是特化的核苷酸序列，可以稳定蛋白质结构上结合RNA的区域，也称为其RNA识别基序(RRMs)。通过这样做，伴侣帮助蛋白质折叠成正确的形状并恢复其正确功能。
在早前的一项研究中，Shorter和他的同事表明，一种称为Clip34的短RNA序列与TDP-43的RRMs结合，并使蛋白质保持健康的可溶形式。但这一过程的潜在机制尚不清楚，该《科学》研究的主要作者、Shorter实验室前研究生Katie Copley博士说。
Katie Copley博士，该研究第一作者。Credit: 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院
为了找出作用机制，Copley使用了一种高灵敏度技术，称为氢-氘交换质谱法，来绘制TDP-43与其他分子相互作用时的结构。通过测量TDP-43蛋白质上的氢原子与溶剂中氘原子交换的速率，她可以推断蛋白质的稳定性以及分子结合的位置等特性。
"这是了解整个蛋白质结构动力学的理想技术，"Shorter说。如果交换发生得很快，意味着蛋白质相对不稳定。如果过程缓慢，则表明结构更加稳定。
研究人员发现，当Clip34 RNA与TDP-43结合时，它稳定了蛋白质通常与RNA结合的位点——RRMs——同时使另一个称为类朊病毒结构域的区域不稳定。这一次级区域已知会引发导致神经退行性的蛋白质错误折叠。
"我们认为，短RNA结合影响该类朊病毒结构域结构的方式对保持TDP-43可溶性很重要，"Copley说。
正确的形状，正确的大小——然后是正确的分子？
Clip34 RNA伴侣由34个核苷酸组成，源自编码TDP-43蛋白的mRNA序列。"我们知道这是一种紧密——但不过于紧密——结合的RNA，"Shorter说。
这种平衡似乎至关重要：Clip34在不锁住TDP-43结构的情况下稳定它，因此蛋白质仍能与其天然RNA靶标结合并在细胞核中执行其正常功能。
Shorter补充说，Clip34的大小也适合药物递送。他提到了一个FDA批准的反义寡核苷酸药物Nusinersen的例子，它具有18个核苷酸序列，可以通过脊髓注射给予患者。
"我们受到反义寡核苷酸方法的启发，这为我们提供了临床路线图，"Shorter说。
在确定了Clip34的作用机制后，研究人员扩大了搜索范围，寻找其他可以防止甚至逆转有毒TDP-43行为的短RNA。他们测试了14种TDP-43变体（包括正常蛋白和多种与疾病相关的形态）对不同短RNA的反应。
通过这项工作，他们确定了Malat1_start，这是另一种能有效协助所有测试版本的TDP-43正确折叠的短RNA。
"Copley说："我们对此非常兴奋，因为它对各种TDP-43变体的效果比Clip34更为广泛。"
与匹兹堡大学的Chris Donnelly博士合作，研究团队使用显微镜显示Malat1_start减少了人细胞细胞质中的TDP-43聚集。
Clip34和Malat1_start都恢复了患者衍生神经元中蛋白质在细胞质和细胞核中的比例，使其达到健康对照组的水平。更重要的是，一旦TDP-43返回细胞核，Malat1_start和Clip34都不会干扰其RNA处理功能。
完全恢复错误折叠蛋白质功能的潜力
其他研究人员正在开发反义寡核苷酸，以纠正由TDP-43从细胞核缺失引起的特定RNA处理错误，但这些方法只解决一两个问题，并不直接修复错误折叠的TDP-43蛋白本身——这是问题的上游源头。
"通过将细胞质中的TDP-43重新带入细胞核，我们应该能够恢复其所有功能。这是我们策略的吸引力所在，"Shorter说。
在患者衍生神经元中看到希望后，研究团队与托马斯杰斐逊大学的Brigid Jensen博士合作，开始在ALS小鼠模型中测试Malat1_start。
注射一剂Malat1_start短RNA后，研究人员在小鼠中观察到TDP-43聚集的明显减少。更令人惊讶的是，Malat1_start大大防止了由疾病引起的运动神经元进一步损失。"这相当令人印象深刻，"Copley说。
短RNA不仅预防了TDP-43的毒性作用，还逆转了聚集和TDP-43功能障碍。
"据我们所知，还没有其他物质在小鼠模型中被证明能做到这一点，"Shorter说。
研究人员现在正在测试短RNA的其他剂量，并将其研究扩展到其他ALS小鼠模型。
"我们研究的优势在于，我们现在有了这些短RNA的机制和治疗框架，从它们对纯蛋白质的影响，到细胞模型和患者衍生神经元，甚至小鼠模型，"Shorter说。
蛋白质错误折叠是许多其他神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）的特征。
"我们已经证明，这种RNA伴侣方法也适用于ALS/FTD中的FUS蛋白，我们怀疑它可以扩展到其他陷入困境的RNA结合蛋白，例如阿尔茨海默病中的Tau，"Shorter说。
至于Malat1_start，研究团队现在正在制定计划，将这一发现推进到临床。"我们真的很兴奋能进一步推进这些研究，"Shorter说。
Publication details
Katie E. Copley et al, Short RNA chaperones promote aggregation-resistant TDP-43 conformers to mitigate neurodegeneration, 《科学》(2026). DOI: 10.1126/science.adv3301
Journal information: 《科学》
Key medical concepts
Amyotrophic Lateral Sclerosis, TAR DNA binding protein, Frontotemporal Dementia
Clinical categories
Neurology
Provided by Perelman School of Medicine at the University of Pennsylvania
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