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DNA 结合与有丝分裂磷酸化：解开多聚谷氨酰胺蛋白聚集谜题的关键
2025-04-16
在生命的微观世界里，基因的表达调控就像一场精密的交响乐，而转录因子（TFs）则是这场音乐会的重要指挥家。转录因子通过与 DNA 结合，将基因组信息转化为特定的基因表达模式，在生命活动中起着核心作用。然而，这些转录因子中常常含有一些特殊的区域，比如富含谷氨酰胺的低复杂性区域（LCRs）。多聚谷氨酰胺（polyQ）序列就隐藏在这些区域中，它在正常情况下或许是转录因子发挥功能的得力助手，但当它发生异常扩张时，就如同被打开了 “潘多拉魔盒”，会引发一系列神经退行性疾病，如亨廷顿舞蹈症（HD）。在亨廷顿舞蹈症中，致病蛋白亨廷顿蛋白（HTT）的 polyQ 序列异常扩张，超过一定长度阈值后，蛋白就会聚集并产生毒性，对神经细胞造成严重破坏。但令人困惑的是，许多正常的转录因子中也存在长 polyQ 序列，却不会形成有毒的聚集体，这背后的机制一直是科学界亟待解开的谜团。
为了揭开这个谜团，来自斯坦福大学医学院的研究人员展开了深入研究。他们以 FOXP2 为研究模型，FOXP2 是一种在人类语言和小脑、肺发育中具有重要作用的转录因子，它拥有人类蛋白质组中最长的连续 polyQ 序列。研究人员发现，在细胞间期，DNA 结合能够维持 FOXP2 的溶解性，防止其聚集；而在有丝分裂期间，FOXP2 会发生多磷酸化修饰，这不仅促使它从染色质上脱离，还替代了 DNA 结合的溶解功能，保证了它在有丝分裂过程中的溶解性。此外，研究人员还发现人类特异性的氨基酸替代能够降低 FOXP2 的聚集倾向，其中 T303N 替代对提高 FOXP2 的溶解性起到了关键作用。更重要的是，研究人员通过实验证明，利用 DNA 结合结构域（DBD）、模拟磷酸化的 EVO 补丁或短的带负电荷肽，可以显著减少由致病形式的 HTT 形成的淀粉样聚集体，这为治疗 polyQ 扩张疾病提供了新的策略和希望。该研究成果发表在《Cell》杂志上。
研究人员在这项研究中运用了多种关键技术方法。在细胞实验方面，通过稳定细胞系和瞬时转染技术，将不同的质粒导入细胞，观察蛋白的表达和定位情况。利用染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq），研究蛋白与染色质的结合情况以及基因组的占据情况。质谱（MS）技术则用于分析蛋白的磷酸化修饰位点和程度。
研究结果具体如下：
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FOXP2 拥有最长的天然 polyQ 序列：在人类蛋白质组中，FOXP2 的 polyQ 序列最长。正常的 FOXP2 在细胞中呈弥散性核定位模式，但与言语障碍相关的突变体 R553H 和 R328X 会形成聚集物，这表明正常的 FOXP2 具有防止由其富含谷氨酰胺结构域驱动的聚集形成的特征。
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DNA 结合保护 FOXP2 不聚集：与言语障碍相关的 R553H 突变会损害 FOXP2 与 DNA 的结合能力，同时导致其形成核聚集物。研究发现，突变与 DNA 直接接触的位点（如 Y540D、R583D）会使蛋白形成核聚集物，而恢复 FOXP2 与染色质的相互作用，不论 DNA 序列特异性如何，都能抑制聚集形成。此外，DNA 结合还能促进其他易聚集转录因子的溶解性，并且对致病的 HTT 片段也有溶解作用，且这种作用依赖于 DBD 的结合亲和力和聚集蛋白的特性。
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FOXP2 聚集体和 polyQ 聚集体在有丝分裂中消散：在有丝分裂期间，尽管 FOXP2 会从 DNA 上脱离，但它不会形成聚集物。研究发现，不仅 FOXP2 的突变体在有丝分裂中会溶解，致病的 HTT 扩张片段在有丝分裂中也会部分溶解，不过其动力学比全长 FOXP2 慢。
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FOXP2 在有丝分裂中发生超磷酸化：研究人员通过质谱分析发现，FOXP2 在有丝分裂细胞中存在 30 个磷酸化位点，其中 11 个是典型的有丝分裂 CDK 介导的 SP/TP 基序，其余位点集中在两个区域：EVO 补丁（包含人类特异性氨基酸残基 N303 和 S325）和 pre-FHD 补丁。
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SP/TP 磷酸化位点介导 FOXP2 从染色质上释放：构建 FOXP2 的突变体发现，SP/TP 位点的磷酸化对于 FOXP2 在有丝分裂时从染色质上释放是必需的，这表明该过程是一个主动调控的过程，而不是染色质浓缩的被动副产物。
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FOXP2 超磷酸化调节有丝分裂中的溶解性：在 R553H 背景下引入 11A 磷酸化缺失突变体和泛磷酸化缺失突变体发现，多个磷酸化位点的协同修饰有助于 FOXP2 在有丝分裂中的溶解性。单独突变 EVO 补丁或 pre-FHD 补丁的磷酸化位点，在有丝分裂中也能部分溶解 FOXP2 R553H 突变体。
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EVO 补丁磷酸化促进 polyQ 蛋白的溶解性：在间期细胞中，EVO 补丁的磷酸化模拟突变体能显著溶解 FOXP2 R553H 的核聚集物，对细胞质中的 polyQ 聚集体也有抑制作用。用带负电荷的 14D/E 肽替代 EVO 补丁同样能抑制 polyQ 蛋白的聚集，这表明可以通过招募 polyQ 到带负电荷的实体来溶解病理聚集体。
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人类特异性 EVO 补丁替代保护 FOXP2 不聚集：人类 FOXP2 与小鼠、黑猩猩的 FOXP2 相比，有两个独特的氨基酸替代位于 EVO 补丁中。研究发现，人类 FOXP2 的溶解性更高，其中 N303T 替代对提高溶解性的作用更为显著，这揭示了人类特异性替代在促进 FOXP2 溶解性方面的分子功能，并且与纹状体突触可塑性存在功能联系。
综上所述，该研究揭示了转录因子中 polyQ 序列的溶解性依赖于 DNA 结合，当 DNA 结合能力受到干扰时，转录因子会形成聚集体。在有丝分裂期间，磷酸化修饰为 FOXP2 的溶解性提供了有效的解决方案。此外，研究还发现了人类特异性氨基酸替代对 FOXP2 溶解性的影响及其在人类语言进化中的潜在作用。这些发现不仅为理解 polyQ 扩张疾病的发病机制提供了新的视角，还为开发治疗这些疾病的新策略奠定了基础，有望为相关疾病的治疗带来新的突破。（子科生物报道）
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