综述：从发育到疾病：通过果蝇视角解析异质核糖核蛋白的神经元作用

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：From development to disease: the neuronal role of hnRNPs through the lens of Drosophila

　　

异质核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribonucleoproteins，hnRNPs）是一类大型RNA结合蛋白（RNA-binding proteins，RBPs）家族，参与从DNA维持到RNA剪接及翻译的多种核酸代谢过程。因此，hnRNPs在发育与细胞稳态中发挥关键作用，其调控异常与包括癌症及神经退行性疾病在内的多种人类疾病密切相关。由于hnRNPs的结构域与功能在进化上具有高度保守性，黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）成为研究与表征不同RBP家族的有力模型。迄今为止，研究人员已在果蝇中鉴定出14种与哺乳动物蛋白同源的hnRNPs。本综述系统梳理了主要果蝇hnRNPs及其与哺乳动物对应蛋白的相似性，重点关注其在神经元发育与神经生理过程中的功能，尤其是与神经退行性疾病的关系。研究人员进一步讨论了当前果蝇模型在hnRNP相关神经退行性疾病研究中的应用，并强调该模型在揭示潜在分子机制方面仍具广阔且未被充分开发的潜力。

1 引言

异质核糖核蛋白（hnRNPs）是一类结构多样的大型RNA结合蛋白（RBPs）。最初因与核糖核蛋白复合物中的核内不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）结合而被发现，后续研究证实其在核酸生物学中具有更广泛且基础的功能。值得注意的是，多项hnRNP家族成员的早期分离与功能表征均源自果蝇生殖系及早胚研究，凸显其在发育早期RNA调控中的核心地位。目前hnRNPs已被确认为多功能调控因子，参与DNA复制、修复、端粒维持、染色质重塑以及RNA转录、加工、可变剪接调控和微小RNA（microRNA，miRNA）成熟等多种过程，同时介导RNA的核质运输并调节mRNA翻译与稳定性。hnRNPs亦是细胞内RNA颗粒的重要组分，参与细胞应激反应。

1.1 hnRNPs在RNA代谢中的作用

1.1.1 可变剪接

hnRNPs最经典的功能之一是调控可变剪接，即从单一前体mRNA产生不同成熟mRNA异构体的过程。hnRNPs与丝氨酸/精氨酸富集蛋白（serine/arginine-rich proteins，SR蛋白）协同作用：hnRNPs通常作为剪接抑制因子，结合外显子或内含子剪接沉默子（exonic and intronic splicing silencers，ESSs和ISSs）；SR蛋白则通过结合剪接增强子（splicing enhancers，ESEs和ISEs）促进剪接。二者结合位点影响剪接体组装早期的前E复合物形成，通过调节小核核糖核蛋白（small nuclear ribonucleoproteins，snRNPs）向前体mRNA的招募，决定外显子的跳跃或保留。其作用具有高度序列与位置依赖性，并可形成协同或拮抗的互作网络，进一步增加调控复杂性。特定hnRNPs亚家族还具有独特机制，例如hnRNP A1可通过协同结合并沿前体mRNA扩散，遮蔽剪接位点以抑制剪接；hnRNP A/B与hnRNP F可形成二聚体使RNA环化，拉近远端剪接位点以界定内含子边界，从而调控外显子保留或跳跃。

1.1.2 mRNA核质运输

多数hnRNPs因含核定位结构域而主要驻留于细胞核，部分可在核质间穿梭并与mRNA运输偶联，实现基因表达的时空调控。在神经系统中，该过程对轴突维持与生长、树突突触形成至关重要。hnRNPs作为反式作用因子识别mRNA非翻译区的顺式作用元件（如RNA转运序列，RNA trafficking sequence，RTS），组装成信使核糖核蛋白（messenger ribonucleoprotein，mRNP）复合物，经核孔复合体（nuclear pore complexes，NPCs）输出。部分hnRNPs（如hnRNP C、hnRNP U）在输出前解离，另一些（如hnRNP A1、hnRNP F、hnRNP K）则在运输全程与mRNA结合并可循环回核。mRNP在输出后发生重构以启动翻译，该过程亦受hnRNPs调控，例如hnRNP A1、hnRNP Q1和hnRNP F可结合G-四链体mRNA结构（G-quadruplex mRNA structures，RG4），正向或负向调节翻译。

1.1.3 细胞内颗粒形成

hnRNPs是核与细胞质颗粒的关键组分，这类无膜细胞器通过液液相分离形成。核内生理性颗粒常以长链非编码RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）为支架，称为结构性RNA（architectural RNAs，arcRNAs），可作为RBP与其他蛋白互作的枢纽，亦参与应激反应。目前已报道的arcRNAs包括人类的NEAT1、SatIII及果蝇的hsrω，分别与不同的核内颗粒（旁斑、核应激小体、omega斑点）中的hnRNPs相关联。核质颗粒还可在氧化或热应激等条件下形成，以封存非活性mRNA。hnRNPs的固有无序区（intrinsically disordered regions，IDRs）介导颗粒形成，但其突变可促进神经元内不溶性毒性聚集物形成。携带异常重复序列的mRNA也可通过隔离包括hnRNPs在内的关键调控因子而损害其功能。

1.2 hnRNPs的结构与结构域组成

hnRNPs具有跨物种保守的结构组织。所有hnRNPs均含有一个或多个RNA结合结构域（RNA-binding domains，RBDs），最常见的是RNA识别基序（RNA recognition motif，RRM），由约90个氨基酸组成，拓扑结构为β₁α₁β₂β₃α₂β₄，主要结合单链RNA（single-stranded RNA，ssRNA），亦可识别单链DNA（single-stranded DNA，ssDNA）并参与蛋白互作，其结合依赖于β3与β1上的RNP1和RNP2保守序列中的芳香族残基。缺乏这些残基的类似结构称为类RRM（quasi-RRM，qRRM），其RNA结合主要由蛋白环介导。另一关键结构域为K同源结构域（K Homology domain，KH domain），由约70个氨基酸组成，拓扑为β₁α₁α₂β₂β₃α₃，通过结合裂隙识别ssRNA与ssDNA。hnRNPs还含有精氨酸-甘氨酸-甘氨酸重复结构域（arginine-glycine-glycine repeat domain，RGG repeat domain），虽常归为辅助结构域，但主动参与结合。其他辅助结构域包括富含脯氨酸、甘氨酸或酸性氨基酸的区域，通常位于IDRs中，赋予动态结构与广泛的互作能力。此外，hnRNPs还可含有核定位信号（nuclear localisation signals，NLS）或酸性M9转运信号等定位序列。果蝇hnRNPs的结构域组合同样高度保守。

2 人类与果蝇中的hnRNPs

哺乳动物hnRNPs依据结构域组成分为A至U共20个亚家族，各亚家族包含多个旁系同源基因并可产生多种亚型。黑腹果蝇是解析RBP普遍及组织特异性功能的重要模型，目前已确认14种果蝇hnRNPs与哺乳动物同源，另有基于结构域相似性的候选直系同源蛋白有待深入表征。果蝇与人类hnRNPs结构高度相似，例如果蝇Heph与TBPH分别与其人类直系同源PTBP1/PTBP2和TDP-43在结构域上高度保守。本部分重点讨论hnRNPs在神经发育与神经退行性疾病中的作用，并强调果蝇模型的现有应用与未开发潜力。

2.1 hnRNPs在神经系统发育中的作用

hnRNPs是发育与细胞分化的关键调控因子，其在动物模型中的功能缺失常导致早期致死，并在干细胞自我更新与分化中起基础作用。在人类中，hnRNPs功能缺陷与肿瘤进展及肌神经发育障碍密切相关。例如，哺乳动物PTBP1/PTBP2与果蝇Heph均在神经与肌源性组织中表达，并通过抑制神经元特异性可变剪接调控轴突形成、突触发生与神经元凋亡。果蝇heph功能缺失会导致中枢神经发育受损与树突分支缺陷，反映其对Notch与Oskar的负调控作用。其他hnRNPs如Hrb57A（人类hnRNP K同源）、Syp（人类SYNCRIP同源）、Glo（人类hnRNP F同源）、Sqd（人类hnRNP D同源）及TBPH（人类TDP-43同源）亦在神经元分化、突触可塑性、轴突与树突形态建成、昼夜节律调控等过程中发挥进化保守的作用。例如，Hrb57A通过omega斑点调控DIAP1稳定性以抑制细胞凋亡；Sqd突变导致果蝇昼夜运动行为异常并伴随时钟神经元投射紊乱；Syp与Imp通过反向梯度调控神经谱系的时间命运特化；TBPH与Caz（人类FUS同源）则对突触形成与成熟至关重要，其功能紊乱可导致运动神经元退化与运动缺陷。

2.2 hnRNPs在神经退行性疾病中的作用

多种人类hnRNPs与神经退行性疾病密切相关，果蝇模型已被广泛用于研究肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、额颞叶痴呆（frontotemporal dementia，FTD）及脆性X相关震颤/共济失调综合征（fragile X-associated tremor/ataxia syndrome，FXTAS）。

2.2.1 ALS与FTD

ALS与FTD具有重叠的临床与遗传特征，构成ALS-FTD疾病谱，hnRNPs在其中发挥核心作用。TARDBP（编码TDP-43）与FUS突变是主要致病因素，其他hnRNPs亦参与病理进程。TDP-43毒性机制主要包括胞质聚集导致的核功能丧失（引起可变多腺苷酸化与隐蔽外显子 inclusion）以及胞质毒性颗粒对关键因子的隔离。果蝇TBPH功能缺失或过表达均导致突触传递受损与运动神经元退化，表型与人类TDP-43模型一致。研究显示多种hnRNPs可修饰TDP-43/TBPH毒性：部分hnRNPs（如sqd、nonA）增强毒性，另一些（如glo、heph、hrb87F、hrb98DE、rump、sm、syp）则在不同程度上抑制毒性。TDP-43与FUS/Caz存在RNA依赖的相互作用，二者在应激颗粒组装及ALS/FTD患者脑内常呈互斥或共定位聚集。果蝇中ALS相关FUS突变促进包涵体形成、错位定位及轴突运输紊乱，野生型FUS/Caz过表达亦会破坏突触结构与线粒体钙瞬变。此外，lncRNA hsrω与TBPH、Caz在体内存在物理与功能互作，调控其亚细胞定位与稳定性，其人类同源SatIII在FTD患者脑内表达上调，提示lncRNA介导的调控在疾病中的重要性。C9orf72基因六核苷酸重复扩增是ALS/FTD的另一主要病因，果蝇hrb87F敲低会增加重复RNA水平，而hnRNP F/Glo可被重复RNA foci隔离，表明hnRNPs在重复RNA毒性中的保护作用。

2.2.2 FXTAS

FXTAS由FMR1基因5′非翻译区55–200个CGG重复扩增引起，导致FMR1 mRNA水平升高。果蝇模型显示，人类hnRNP A2/B1及其果蝇同源Hrb87F、Hrb98DE可缓解CGG重复毒性，且该蛋白可与CGG重复RNA物理结合。TDP-43过表达亦能通过纠正Hrb87F/Hrb98DE介导的错误剪接而减轻毒性。CGG重复还可激活逆转录转座子，其沉默依赖于hnRNP A2/B1与异染色质蛋白HP1的协同作用。此外，CGG重复导致的miR-277表达失调亦与hnRNP A2/B1的隔离有关，进一步加剧细胞