TDP-43（TAR DNA结合蛋白43）是一种在细胞核内与RNA结合、调控数千个基因剪接和加工的蛋白质。在健康细胞中，TDP-43呈现动态、可逆的液态样状态；但在肌萎缩侧索硬化症（ALS，俗称渐冻症）和额颞叶痴呆（FTD）患者大脑中，它会错误折叠成不溶性的纤维状固体聚集体，同时从细胞核中丢失，导致功能丧失和毒性获得。这两种疾病目前均无法治愈。

畸形的蛋白质会引发一连串麻烦，尤其在神经退行性疾病中。但一项新研究表明，给它们一点额外的“支持”，或许能让它们继续正常工作，甚至逆转已经造成的损害。

这项新研究聚焦于一种异常蛋白——TDP-43。TDP-43在细胞核内结合RNA，负责调控数千个人类基因。如果TDP-43从健康的液态相转变为病变的纤维状固体聚集体，它的存在可能是致命的。

这种蛋白是肌萎缩侧索硬化症（ALS）和额颞叶痴呆（FTD）的关键驱动因素之一——这一发现最早由宾夕法尼亚大学医学院的先驱科学家Virginia M.-Y. Lee博士（MBA）和已故的John Trojanowski博士（医学博士、哲学博士）做出。

目前尚无治愈ALS或FTD的方法，但这种情况可能改变。在发表于《Science》的一项研究中，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员报告称，短RNA分子可以逆转TDP-43聚集并恢复其功能，这是向着基于RNA的ALS和FTD治疗迈出的重要一步。

“在这些疾病中，你实际上要对抗两件事：细胞核内TDP-43功能的丧失（破坏RNA剪接和加工）以及细胞质中通过蛋白聚集产生的毒性功能获得，”该研究的资深作者、宾大佩雷尔曼医学院生物化学与生物物理学教授James Shorter博士说。

在Lee和Trojanowski发现成果的同时及随后的近二十年里，Shorter一直研究TDP-43错误折叠的原因和机制，并寻求预防和逆转的方法。

给致病蛋白一个RNA伴侣如何帮助稳定其形状和功能

当TDP-43错误折叠并在细胞质中聚集时，它不再执行其在细胞核内调节RNA的正常功能，而是形成毒性聚集物。但Shorter及其同事发现，短RNA伴侣可以逆转TDP-43聚集并恢复其功能。

短RNA伴侣是专门的核苷酸序列，能够稳定蛋白结构上与RNA结合的区域（即RNA识别基序，RRMs）。通过这样做，伴侣帮助蛋白折叠成正确的形状并恢复其正常功能。

在较早的一项研究中，Shorter及其同事证明，一种名为Clip34的短RNA序列能结合TDP-43的RRMs，使蛋白保持健康的可溶形式。但该过程的机制尚不清楚，该《Science》新研究的第一作者、Shorter实验室前研究生Katie Copley博士说。

为了揭示作用机制，Copley使用了一种名为氢-氘交换质谱的高灵敏度技术，绘制TDP-43与其他分子相互作用时的结构图。通过测量TDP-43蛋白上氢原子与溶剂中氘原子交换的速率，她可以推知蛋白的稳定性以及分子结合的位置等特性。

“这确实是了解整个蛋白结构动力学的理想技术，”Shorter说。如果交换发生得快，意味着蛋白相对不稳定；如果过程缓慢，则提示结构更稳定。

研究人员发现，在结合TDP-43时，Clip34 RNA稳定了该蛋白通常与RNA结合的位点（RRMs），同时使另一个称为朊病毒样结构域的区域变得不稳定。已知该二级区域会驱动导致神经退行性变的蛋白错误折叠。

“我们认为，短RNA结合影响那个朊病毒样结构域结构的方式，对于保持TDP-43可溶至关重要，”Copley说。

正确的形状、合适的尺寸——然后是对的分子的筛选？

Clip34 RNA伴侣由34个核苷酸组成，这些核苷酸来源于编码TDP-43蛋白的mRNA序列。“我们知道它是一种结合紧密，但又不至于太紧的RNA，”Shorter说。这种平衡似乎至关重要：Clip34稳定了TDP-43的结构，但不会将其锁定，因此蛋白仍然可以结合其天然RNA靶标并在细胞核中执行正常功能。

Shorter补充说，Clip34的尺寸也有利于药物递送。他举了一个FDA批准的反义寡核苷酸药物Nusinersen的例子，该药物具有18个核苷酸序列，可以通过脊髓注射给药。“反义寡核苷酸方法启发了我们，它们为我们的临床转化提供了路线图，”Shorter说。

一旦确定了Clip34的作用机制，研究人员便扩大了搜索范围，寻找其他能够预防甚至逆转毒性TDP-43行为的短RNA。他们针对14种TDP-43变体（包括正常蛋白和多种疾病相关形式）测试了不同的短RNA。

通过这项工作，他们鉴定出Malat1_start——另一种短RNA，它能有效地伴侣或辅助所有测试版本的TDP-43正确折叠。

“我们对此非常兴奋，因为与Clip34相比，它对不同TDP-43变体的作用更广泛，”Copley说。

与匹兹堡大学的Chris Donnelly博士合作，团队使用显微镜证明Malat1_start能减少人类细胞质中的TDP-43聚集体。

Clip34和Malat1_start还将患者来源神经元中TDP-43在细胞质与细胞核的比例恢复至健康对照水平。更重要的是，一旦TDP-43返回细胞核，Malat1_start和Clip34都不会干扰其RNA加工功能。

将错误折叠蛋白完全恢复功能的潜力

其他研究人员正在开发反义寡核苷酸，以纠正由TDP-43从细胞核缺失引起的特定RNA加工错误，但这些方法只能修复一两个问题，并不能直接修复错误折叠的TDP-43蛋白本身——问题的上游源头。

“通过将细胞质中的TDP-43送回细胞核，我们应该能够恢复其所有功能。这是我们策略的魅力所在，”Shorter说。

在看到患者来源神经元的希望后，团队与托马斯杰斐逊大学的Brigid Jensen博士合作，在ALS小鼠模型中测试Malat1_start。单次给予Malat1_start短RNA后，研究人员观察到小鼠体内TDP-43聚集显著减少。更令人惊讶的是，Malat1_start在很大程度上阻止了疾病驱动的运动神经元进一步丢失。“这相当令人印象深刻，”Copley说。

这些短RNA不仅预防了TDP-43的毒性作用，还逆转了聚集和TDP-43功能障碍。“据我们所知，还没有其他方法在小鼠模型中做到这一点，”Shorter说。

研究人员现在正在测试短RNA的其他剂量，并将其研究扩展到其他ALS小鼠模型。“我们研究的优势在于，我们现在同时拥有了这些短RNA的机制和治疗框架，覆盖了从纯蛋白效应、细胞模型和患者来源神经元，再到小鼠模型的完整路径，”Shorter说。

蛋白质错误折叠是许多其他神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）的特征。

“我们已经证明这种RNA伴侣方法对ALS/FTD中的FUS蛋白也有效，并且我们怀疑它可以扩展到其他出问题的RNA结合蛋白，例如阿尔茨海默病病例中的Tau蛋白，”Shorter说。至于Malat1_start，团队正在制定计划将其推向临床。“我们非常兴奋能进一步推进这些工作，”Shorter说。