
上海有機(jī)所交叉中心發(fā)現(xiàn)調(diào)控神經(jīng)軸突退化新機(jī)制——FBXO21介導(dǎo)軸突存活關(guān)鍵蛋白NMNAT2的泛素化和降解
神經(jīng)軸突損傷后遠(yuǎn)離胞體的一側(cè)發(fā)生漸進(jìn)性串珠化、碎片化改變,進(jìn)而崩解并被清除的這一病理過程被稱為沃勒變性。NMNAT2是維持軸突完整性的關(guān)鍵蛋白,在神經(jīng)損傷后快速耗竭從而導(dǎo)致沃勒變性的發(fā)生,但在神經(jīng)元中調(diào)控其蛋白降解的具體機(jī)制至今尚不完全清楚。
2025年9月30日,中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所方燕姍研究員團(tuán)隊(duì)在Journal of Cell Biology期刊在線發(fā)表了題為“SCFFBXO21-mediated ubiquitination and degradation of NMNAT2 regulates axon survival in nerve injury”的研究論文,首次鑒定出FBXO21是介導(dǎo)神經(jīng)元中NMNAT2泛素化和降解的特異性F-box蛋白和關(guān)鍵因子。在小鼠背根神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元中敲低Fbxo21引起NMNAT2蛋白水平升高,并顯著延緩損傷引起的軸突退化。
領(lǐng)域里一直認(rèn)為在神經(jīng)損傷后NMNAT2會(huì)在軸突中加速降解,并由此推測NMNAT2在胞體和軸突中可能存在不同的調(diào)控機(jī)制。但是該團(tuán)隊(duì)通過時(shí)間動(dòng)態(tài)分析證明了NMNAT2蛋白在神經(jīng)元胞體和軸突中、以及在損傷前后的降解速率基本相當(dāng),提示NMNAT2的降解具有相同的調(diào)控機(jī)制,而受損軸突中NMNAT2的快速耗竭主要由于缺少了胞體來源的新生NMNAT2蛋白。重要的是,無論是在胞體還是軸突、無論是完好還是受損的軸突,FBXO21對(duì)NMNAT2蛋白穩(wěn)定性以及軸突完整性均發(fā)揮著重要調(diào)控作用。
利用變性免疫沉淀和體外泛素化實(shí)驗(yàn),研究團(tuán)隊(duì)揭示了FBXO21可與SKP1、CUL1和RBX1形成SCFFBXO21 E3泛素連接酶復(fù)合物介導(dǎo)NMNAT2的泛素化。SCFFBXO21泛素化NMNAT2中ISTID結(jié)構(gòu)域的賴氨酸155(K155),該位點(diǎn)的泛素化缺陷突變K155R顯著延長NMNAT2半衰期并具有更強(qiáng)的軸突保護(hù)作用。有趣的是,將NMNAT1或NMNAT3亞型中的ISTID域替換為NMNAT2的ISTID導(dǎo)致原本非常穩(wěn)定的前兩者蛋白快速降解,而在其中引入K155R突變則可消除此效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)說明NMNAT2的超短半衰期在進(jìn)化上依賴于ISTID中的K155泛素化,揭示了NMNAT2獨(dú)特的蛋白不穩(wěn)定性的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
最后,該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了Fbxo21敲除小鼠并發(fā)現(xiàn)NMNAT2蛋白水平在該小鼠的神經(jīng)組織中特異性升高。進(jìn)而利用小鼠坐骨神經(jīng)損傷模型,證實(shí)了Fbxo21敲除可以在體內(nèi)明顯延緩受損神經(jīng)軸突的退化。
綜上,該研究揭示了FBXO21是調(diào)控NMNAT2穩(wěn)定性的關(guān)鍵因子,為軸突退化機(jī)制提供了新見解(圖1)。此外,SCF復(fù)合物中的其它組分如SKP1、CUL1和RBX1因廣泛參與其它蛋白的降解不具備靶向性,而該研究鑒定出了SCF復(fù)合物中決定NMNAT2底物特異性的F-box蛋白FBXO21,這一發(fā)現(xiàn)為靶向NMNAT2治療神經(jīng)損傷和神經(jīng)退化疾病提供了可能的靶點(diǎn)和干預(yù)策略。

圖1. FBXO21介導(dǎo)NMNAT2泛素化和蛋白降解從而調(diào)控軸突退化的機(jī)制示意圖
中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心方燕姍研究員為該論文通訊作者,博士研究生龍文靜為第一作者,交叉中心張?jiān)跇s研究員和張耀陽研究員以及暨南大學(xué)李昂副研究員參與了該研究。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金A類(原國家杰出青年基金)、重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目,以及國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院和上海市科委等項(xiàng)目和基金的支持。
原文鏈接:10.1083/jcb.202501072
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