SCIENCECHINALifeSciences(《中国科学：生命科学》英文版)近日在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)周小龙研究员、王恩多院士课题组最新成果“DistinctpathogenicmechanismsofvariousRARS1mutationsinPelizaeus-Merzbacher-likedisease”。该研究总结了临床报道的RARS1基因(编码人细胞质精氨酰-tRNA合成酶,hArgRS)导致中枢神经系统疾病的不同突变，并研究了hArgRS突变通过影响酶的功能和基因翻译过程导致髓鞘形成缺陷型脑病的分子机制。
ArgRS属于I类氨基酰-tRNA合成酶(aaRS)，其活性中心由包含保守结构基序的Rossmann折叠构成；而C-端Add2结构域负责识别精氨酸tRNA(tRNAArg)反密码子环。哺乳动物细胞质中存在由mRNA翻译重起始产生的长、短两种形式的ArgRS(图1A)；长形式ArgRS在N-端有一个延伸结构域(NTD)，是细胞质多aaRS复合物(MSC)的成员，而短形式ArgRS在细胞质中游离存在。长、短两种形式的ArgRS由同一mRNA的两个同框的起始密码子(AUG1和AUG2)起始翻译产生(图1A)；此外，mRNA的5’-非翻译区(5’-UTR)还有一个上游起始密码子(upstreamAUG,uAUG)启动翻译一个上游可读框(uORF)。研究组先前的研究结果表明，从uAUG起始翻译的uORF通过核糖体漏筛AUG1从而促进短形式hArgRS的产生(ZhengYG,etal.,)。
临床研究报道，RARS1基因系列突变导致中枢神经系统髓鞘形成不足性脑白质病-佩梅样病(Pelizaeus-Merzbacher-likedisease，PMLD)；其中hArgRS的NTD中的c.5AG(p.D2G)突变是PMLD相关的高频突变，而Add2结构域中的单点致病突变[c.GA(p.RQ),c.CT(p.SL)]也在多个家族中被鉴定到；此外，还有一例患者携带碱基缺失突变c._del(p.YLfs*6)。然而，这些频发突变导致PMLD的机制，以及突变基因型与表型之间的关系并不明确。
研究人员对文献报道的RARS1致病突变进行了总结和机制研究。体外生化结果表明，hArgRS的不同结构域突变对酶的体外功能的影响不同。首先，Add2结构域的hArgRS-RQ突变和截短的hArgRS-ΔC破坏了hArgRS的结构，突变酶完全丧失了体外的催化活力，而且降低了在细胞内的稳定性；而NTD中的hArgRS-D2G错义突变虽然抑制长形式hArgRS的表达，但是并不改变hArgRS的蛋白质构象、催化活力和细胞内稳定性，表明hArgRS-D2G突变不影响hArgRS的结构和经典催化功能。为了阐明hArgRS-D2G突变导致PMLD的机制，进一步比较了RARS1及其突变体基因在细胞内的表达情况。结果发现，导致p.D2G突变的c.5AG替换不影响mRNA的转录生成和稳定性，但是这一突变明显抑制长形式hArgRS的基因表达，表明NTD突变抑制mRNA从AUG1起始翻译为长形式hArgRS。检测基因的翻译水平，发现5’-UTR和uORF可以增强c.5AG突变的翻译抑制作用。因此，hArgRS的Add2结构域突变使酶丧失了正常的结构和催化功能，因而与严重的PMLD表型相关；而频发的c.5AG(p.D2G)突变则在翻译水平抑制突变体基因的表达和长形式hArgRS的产生，低水平表达的长形式hArgRS可以维持hArgRS的部分功能，因而携带纯合突变的病人主要表现为轻症PMLD(图1)。此外，本研究还表明，虽然两种形式hArgRS的体外催化活力相似，但是长形式hArgRS对细胞质的蛋白质合成和MSC组装必不可少；致病突变抑制长形式hArgRS的翻译，引起神经元蛋白质合成异常和髓鞘形成障碍。
以上结果揭示了aaRS及其MSC复合物介导的蛋白质生物合成过程对中枢神经系统正常功能的重要作用；阐明了RARS1突变导致PMLD脑白质病的分子机制。
图1hArgRS不同致病突变导致PMLD的分子机制
A：c.5AG突变抑制从AUG1起始翻译，从而导致长形式hArgRS-D2G的蛋白质水平显著降低；B：Add2结构域的RQ单点突变或ΔC缺失突变改变了酶的稳定构象和活性中心结构，致使酶活力丧失及在细胞内快速降解。
分子细胞卓越创新中心周小龙研究员和王恩多院士为本文共同通讯作者，博士研究生李光为本文第一作者，法国国立科研中心(CNRS)、斯特拉斯堡大学GilbertEriani教授参与了该研究。项目获得国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金委和中科院科技先导专项支持。
Li,G.,Eriani,G.,Wang,E.D.,andZhou,X.L.().DistinctpathogenicmechanismsofvariousRARS1mutationsinPelizaeus-Merzbacher-likedisease.SciChinaLifeSci64,