细胞内的蛋白质生物合成受到严格且精细的调控，这使得生物体可以应对各种各样的生存需求。而翻译延伸是蛋白质合成中最为耗能的一步，它决定了蛋白合成的效率和准确性。这一步主要由eEF2K/eEF2通路调控，各种不同的信号通路像是Ca2+ /calmodulin, p38 MAPK, S6K, mTOR, 和 PKA ，它们通过调节eEF2K的活性影响eEF2的磷酸化水平，从而抑制或激活翻译延伸。
在神经细胞中，eEF2K/eEF2通路对于活性依赖的突触可塑性以及记忆巩固至关重要，其中一个没有得到回答的重要问题是，有没有其它因子能拮抗eEF2K的作用直接参与eEF2磷酸化的调节，从而使得细胞保持足够灵敏的反应性？
东南大学生命科学与技术学院的韩俊海教授团队长期致力于儿童孤独症以及神经发育相关疾病的致病机制研究。Renpenning综合征是一种X染色体连锁的智力发育障碍，由多聚谷氨酰胺结合蛋白1( Polyglutamine binding protein 1,PQBP1)基因突变而致[1]。PQBP1主要定位于细胞核中参与了基因转录和mRNA的剪切过程[2-5]，但分布在细胞质中PQBP1是不是具有单独的功能一直不是很清楚。Kunde等发现PQBP1与许多RNA结合蛋白如FMRP、KSRP等相互作用定位在细胞质的RNA颗粒上，可能参与mRNA的转运[6]。
韩俊海团队最先在果蝇和细胞为模型中发现胞质中的PQBP1主要分布在含有mRNPs、40S、60S核糖体亚基和80S单体核糖体的组份中，并负责靶mRNA从mRNP复合体向翻译核糖体的转运，PQBP1通过介导膜蛋白Chaoptin的表达而影响感光细胞的发育，揭示出PQBP1在细胞质中参与mRNA翻译的新分子功能[7]。
在本项研究中，他们团队继续对PQBP1在高等哺乳动物中参与蛋白合成调控的机制进行了深入研究。韩俊海教授课题组的沈玉倩博士利用免疫共沉淀的方法对胞质PQBP1的互作分子进行了质谱鉴定，发现胞质PQBP1与许多核糖体蛋白、延伸因子等翻译过程相关的蛋白分子互作，其中翻译延伸因子eEF2具有最高的丰富度。
经过细致的生化分析，研究人员确定了PQBP1可以通过其WW结构域直接结合于翻译延伸因子eEF2的T56磷酸化位点附近，从而保护eEF2不被其专属激酶eEF2K所磷酸化，促进蛋白合成。Harringtonine Run-Off [10]实验显示敲降PQBP1后降低了翻译延伸速率。
研究人员进一步利用氨酰-tRNA类似物Puromycin标记新生蛋白[8]，发现细胞系中敲降PQBP1后新生蛋白的合成量明显降低。同时利用甲硫氨酸类似物HPG标记新生蛋白[9]，他们发现PQBP1条件性敲除小鼠的肝脏原代细胞中新生蛋白明显减少，验证了PQBP1是蛋白合成所必需的关键因子。
eEF2K/eEF2对于活性依赖的突触可塑性非常重要。在代谢型谷氨酸受体依赖的长时程抑制（mGluR-LTD）中，DHPG激活mGluR，活化的mGluR通过钙离子的内流激活eEF2K以促进eEF2的磷酸化，抑制翻译延伸过程，使总蛋白的合成下降，但是会增加突触活动相关分子Arc/Arg3.1的快速翻译，Arc/Arg3.1与Endo和Dyn形成复合物，并诱导AMPA受体的内吞从而介导突触可塑性LTD的产生[10]。PQBP1在成年小鼠的海马神经元中高表达，以往的研究关注PQBP1在发育过程中的作用，但是人们对于它在成熟神经元的功能知之甚少。
韩俊海团队随后研究了PQBP1/eEF2相互作用是否会影响突触功能，他们还发现在海马神经元中敲除PQBP1导致eEF2磷酸化水平异常升高，mGluR-LTD受损，小鼠表现出明显的认知功能障碍，而在敲除小鼠中利用AAV载体外源表达能与eEF2结合的PQBP1蛋白片段可以成功挽救表型。在正常小鼠的海马中注射干扰PQBP1/eEF2结合的多肽，也导致mGluR-LTD相关的认知能功障碍。
他们进一步发现，敲除PQBP1导致的eEF2磷酸化水平异常升高使得Arc/Arg3.1蛋白的本底表达维持在较高的水平，当mGluR被DHPG激活后，不再发生快速翻译引起的进一步升高。他们的研究清楚的表明在mGluR受体激活过程中，这种Arc/Arg3.1表达水平的快速动态变化而不是绝对量，才诱导了长时程抑制。因此本项研究第一次清晰地解析了PQBP1在成熟神经元中的功能，加深了我们对于突触可塑性调控机制的认知，为PQBP1突变导致的智力障碍的致病机理提供了新的解释。
PQBP1在组织中广泛表达，参与发育、增殖、病毒感染以及肿瘤发生等过程，这个新发现的PQBP1-EF2-eEF2K调控机制和神经精神疾病、病毒感染以及癌症等疾病都有密切的关系，很有可能成为这些疾病潜在的治疗靶点。
图1：PQBP1通过抑制eEF2磷酸化促进翻译延伸调节海马mGluR-LTD的机制示意图
该项研究工作由东南大学“发育与疾病相关基因”教育部重点实验室韩俊海教授课题组完成，东南大学沈玉倩博士、张子超副研究员、程珊珊博士后为该研究论文的共同第一作者。此项研究同时得到了东南大学刘安副研究员，苏州大学夏淑婷副研究员、加拿大多伦多大学加正平教授、东南大学谢维教授等的大力协助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.01.032
东南大学生命科学与技术学院韩俊海课题组公开招聘电生理和生物信息学方向的副研究员和博士后。课题组已经在Molecular Cell，Neuron, Dev Cell, Current Biology, PLos Biology， EMBO J, JNs等权威期刊发表一系列论文。
更多信息请查阅网站：
https://ils.seu.edu.cn/2015/0331/c22871a282856/page.htm
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参考文献
1.Stevenson, R.E., et al., Renpenning syndrome maps to Xp11. Am J Hum Genet, 1998. 62(5): p. 1092-101.
2.Wang, Q., et al., PQBP1, a factor linked to intellectual disability, affects alternative splicing associated with neurite outgrowth. Genes Dev, 2013. 27(6): p. 615-26.
3.Waragai, M., et al., PQBP-1/Npw38, a nuclear protein binding to the polyglutamine tract, interacts with U5-15kD/dim1p via the carboxyl-terminal domain. Biochem Biophys Res Commun, 2000. 273(2): p. 592-5.
4.Waragai, M., et al., PQBP-1, a novel polyglutamine tract-binding protein, inhibits transcription activation by Brn-2 and affects cell survival. Hum Mol Genet, 1999. 8(6): p. 977-87.
5.Okazawa, H., et al., Interaction between mutant ataxin-1 and PQBP-1 affects transcription and cell death. Neuron, 2002. 34(5): p. 701-13.
6.Kunde, S.A., et al., The X-chromosome-linked intellectual disability protein PQBP1 is a component of neuronal RNA granules and regulates the appearance of stress granules. Hum Mol Genet, 2011. 20(24): p. 4916-31.
7.Wan, D., et al., X chromosome-linked intellectual disability protein PQBP1 associates with and regulates the translation of specific mRNAs. Hum Mol Genet, 2015. 24(16): p. 4599-614.
8.Goodman, C.A. and T.A. Hornberger, Measuring protein synthesis with SUnSET: a valid alternative to traditional techniques? Exerc Sport Sci Rev, 2013. 41(2): p. 107-15.
9.Narita, M., et al., Spatial coupling of mTOR and autophagy augments secretory phenotypes. Science, 2011. 332(6032): p. 966-70.
10.Bramham, C.R., et al., The immediate early gene arc/arg3.1: regulation, mechanisms, and function. J Neurosci, 2008. 28(46): p. 11760-7.
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