肌萎縮側索硬化症（Amyotrophic lateral sclerosis, ALS）俗稱漸凍症，是一種以腦運動皮質、腦幹和脊髓運動神經元退行性改變為特徵的進行性麻痺行疾病，其臨床表現主要為逐漸加重的肌肉無力、萎縮、肌束震顫、延髓麻痺及椎體損害，最終導致吞咽困難，呼吸肌無力而死亡。ALS的核心病理改變為運動皮質及脊髓運動神經元凋亡，伴隨有星形膠質細胞、小膠質細胞及少突膠質細胞增生的神經炎症反應。ALS的另一個典型病理學特徵是脊髓下行運動神經元和外周肌肉的神經肌肉接頭的退化和功能喪失以及外周肌肉系統的萎縮和痙攣。
全球範圍內的流行病學調查顯示，每年新發ALS患者為每10萬人中1-2例，發病率和患病率隨著年齡的增大而增加，大約10%的ALS為家族遺傳性，其餘為散發性。對ALS致病基因與致病機制的研究一直是本領域的研究熱點。自從第一個ALS致病基因SOD1報導以來，一共有近50個基因相繼被報導其突變/功能異常參與或者影響了ALS的發生和發展，其中包括TDP43、FUS、C9orf72、HNRNPA1、SQSTM1、VCP、OPTN、PFN、CHCHD2以及CHCHD10等。這些基因廣泛參與了細胞內蛋白質穩定性、RNA代謝及穩定性和細胞骨架動態變化等過程的調控。其中TDP43、FUS、C9orf72和SOD1基因突變導致了約70%的家族遺傳性ALS的發生。TDP43和SOD1致病突變的病理學原因是由於突變蛋白在運動神經元胞體中的異常累積導致的神經毒性。正常生理狀態下，TDP43主要定位在運動神經元的細胞核中，參與RNA代謝的調控。TDP43由細胞核向細胞質的轉定位和蛋白聚集體的累積是遺傳性和散發ALS的典型特徵，常被認為是ALS病變運動神經元的標誌之一。
RNF220是本課題組鑑定的一個新的泛素連接酶，在神經系統發育中具有重要作用。課題組早期的研究發現，泛素連接酶RNF220通過調控不同靶蛋白不同類型的泛素化修飾參與多個神經系統發育過程的調控。雖然RNF220-/-小鼠出生致死，但是約1/3的RNF220+/-小鼠成年後表現出進行性的運動障礙，最後癱瘓而死。開放場和轉棒等行為學分析發現，RNF220+/-小鼠的運動能力顯著降低。我們通過組織切片和病理學染色分析發現，RNF220在成年小鼠的脊髓運動神經元中特異表達，且其蛋白主要定位在細胞質中；與野生型小鼠相比，RNF220+/-小鼠脊髓運動神經元細胞中的TDP43蛋白表現出由細胞核到細胞質的轉定位現象且蛋白水平增多；RNF220+/-小鼠的腓腸肌肌纖維的直徑變小，表現出萎縮現象且肌肉出現去神經支配現象。因此，RNF220+/-小鼠表現出類似人肌萎縮側索硬化症的行為和病理學特徵。我們體內外的生化分析發現，RNF220通過促進TDP43蛋白K48類型的經典泛素化修飾參與TDP43蛋白穩定性的調控。
該研究揭示了ALS相關蛋白TDP43穩定性調控新機制，豐富了人們對ALS致機理的認識，為ALS的診療提供了新的潛在靶標和動物模型的支撐。近日，該研究結果以「Haploinsufficiency of the TDP43 ubiquitin E3 ligase RNF220 leads to ALS-like motor neuron defects in mouse」為題發表在《Journal of Molecular Cell Biology》雜誌上（文章連結：https://academic.oup.com/jmcb/advance-article/doi/10.1093/jmcb/mjaa072/6059226）。馬鵬程副研究員和博士研究生李雨薇為文章的共同第一作者，毛炳宇研究員為文章的通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金和雲南省重點項目的支持。
圖示RNF220調控脊髓運動神經元TDP43蛋白穩定性及ALS的發生發展