eIF5A

引言 成体骨骼肌干细胞，也被称为卫星细胞(SCs)，是静止的，并在损伤反应中激活。然而，静止SCs (QSCs)的激活机制在很大程度上仍然未知。 2024年9月10日，生物岛实验室李虎、张勇、朱大海共同通讯在Cell Discovery在线发表题为“Spermidine-eIF5A axis is essential for muscle stem cell activation via translational control”的研究论文，该研究结果表明，亚精胺-eIF5A轴在激活内源性SCs治疗肌肉疾病方面是一个有前景的药理学靶点。 通过鉴定促进SC激活的调节代谢物来研究SC激活的代谢调节。利用靶向代谢组学，研究发现亚精胺作为一种调节性代谢物，促进小鼠SC激活和肌肉再生。机制上，亚精胺通过产生假想的eIF5A激活SCs。通过SC特异性eIF5A敲除(KO)和MyoD -KO小鼠，进一步发现，通过控制MyoD翻译，亚精胺介导的SC激活需要eIF5A。更重要的是，SCs中eIF5A的缺失导致小鼠肌肉再生受损。总之，研究结果定义了一种新的机制，该机制对SC激活至关重要，并通过亚精胺-eIF5A介导的MyoD翻译起作用。 成体干细胞通常处于静止状态，只有在维持组织稳态或应对组织损伤时才重新进入细胞周期。在肌肉再生和生理衰老过程中，骨骼肌的内稳态密切依赖于驻留的肌肉干细胞，也被称为卫星细胞(SCs)。在肌肉损伤的反应中，静止SCs (QSCs)快速激活，重新进入细胞周期，然后分化和融合以修复肌肉。在衰老过程中，由于SCs的激活缺陷和自我更新减少，肌肉质量和力量逐渐下降。因此，了解SC激活的分子机制可能为治疗肌肉退行性疾病和对抗肌肉衰老提供新的途径。 QSCs代谢率低，体积小；它们主要包括一个被细胞质薄层包围的细胞核。QSC激活需要细胞代谢状态转移到更符合细胞功能需求的状态；这被称为“代谢重编程”。QSC激活后观察到的糖酵解代谢转换已被证明下调代谢物NAD+， NAD+通过直接影响表观基因组调节QSC激活。此外，SCs在静止状态下的蛋白质合成受到限制，但在激活时则进行高水平的蛋白质合成。然而，对SCs协调代谢和蛋白质合成变化(翻译控制)以满足激活需求的机制知之甚少。 活化的SCs中多胺含量显著升高（Credit: Cell Discovery） 多胺是一种生物胺，参与细胞存活、细胞增殖和蛋白质合成。重要的是，多胺也是真核翻译起始因子5A (eIF5A)保守赖氨酸(K50)残基的假设(翻译后修饰)的关键前体，这是其作为翻译因子的所有已知功能所必需的。虽然最初认为eIF5A (eIF5AH)启动翻译，但假设的eIF5A (eIF5AH)实际上促进了一般的翻译延伸，并支持选择性mRNA亚群的有效翻译，例如那些含有连续脯氨酸密码子的mRNA亚群。尽管多胺已被报道在肿瘤发生和B细胞活化中起作用，但对多胺代谢在控制肌肉干细胞细胞命运中的作用知之甚少。 异常的代谢重组会产生病理后果。现有报告表明，随着年龄的增长，多胺代谢会减少，在人类流行病学研究中，饮食中多胺的摄取与心血管和癌症相关死亡率的降低相关。在衰老过程中，肌肉质量和力量的逐渐下降是由于SC的激活缺陷和自我更新减少。然而，目前尚不清楚衰老的SC是否会在代谢方面(例如，在多胺代谢方面)与年轻的SC不同，以及这是否构成了它们在衰老过程中受损激活的基础。 研究阐述亚精胺作为一种调节性代谢物，通过产生假想的eIF5A来促进小鼠SC激活和肌肉再生。在机制上，研究发现eIF5A在SC激活过程中选择性地翻译Myod mRNA。MyoD长期以来被用作SC激活的分子标记，但MyoD是否在功能上是SC激活所必需的尚不清楚。研究发现MyoD通过eIF5A介导的翻译控制在SC激活中起关键作用。总之，研究发现不仅提示了肌源性谱系特异性转录因子MyoD在肌源性发育过程中的新作用，而且可能进一步提供了eIF5A在发育过程中通过选择性翻译细胞谱系特异性转录因子(TFs)来决定谱系规范和细胞命运的一般机制。 参考文献 https://www.nature.com/articles/s41421-024-00712-w 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“iNature” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

该研究定义了一种对卫星细胞激活至关重要的新机制，表明了亚精胺-eIF5A信号轴是激活内源性卫星细胞治疗肌肉疾病的有潜力的药理学靶点。 生物岛实验室李虎、张勇、朱大海团队合作，在 Cell Discovery 期刊发表了题为：permidine-eIF5A axis is essential for muscle stem cell activation via translational control 的研究论文。 该研究表明，亚精胺-eIF5A信号轴通过翻译控制对肌肉干细胞的激活必不可少，为治疗肌肉疾病提供了一个有潜力的药理学靶点。 静息卫星细胞（QSC）代谢率低，尺寸小，QSC的激活需要将细胞代谢状态转变为更能满足细胞功能需求的状态，即“代谢重编程”。在QSC激活后观察到的向糖酵解代谢的转变已被证明可下调代谢物NAD+，而NAD+通过直接影响表观基因组来调节QSC的激活。此外，卫星细胞（SC）在静息状态下蛋白质合成受到限制，但在激活后蛋白质合成水平很高。然而，我们对卫星细胞协调代谢和蛋白质合成（即翻译控制）以满足激活需求的机制知之甚少。 多胺是一种生物合成的胺类物质，已知与细胞生存、细胞增殖和蛋白质合成有关。更重要的是，多胺还是真核生物翻译起始因子5A（eIF5A）上保守的赖氨酸（K50）残基的羟丁胺化修饰（hypusination）的关键前体，该修饰对于eIF5A的所有已知功能都是必需的。虽然最初被认为是翻译的起始因子，但羟丁胺化修饰的eIF5A（eIF5AH）实际上促进了一般翻译的延长，并支持对特定mRNA的高效翻译。尽管有报道指出多胺在肿瘤发生和B细胞激活中发挥作用，但我们对多胺代谢在控制肌肉干细胞命运方面的作用知之甚少。 异常代谢重塑可产生病理后果。已有研究表明，随着年龄增长，多胺代谢减少，在人类流行病学研究中，膳食多胺摄取与心血管和癌症相关死亡率降低相关。在衰老过程中，肌肉质量和力量的进行性下降归因于卫星细胞的激活缺陷和自我更新的减少。然而，目前尚不清楚衰老的卫星细胞与年轻的卫星细胞是否存在代谢差异，以及这是否构成了它们在衰老过程中激活受损的基础。 在这项最新研究中，研究团队通过识别促进卫星细胞（SC）激活的调节代谢物来研卫星细胞激活的代谢调节。通过靶向代谢组学，研究团队发现亚精胺（Spermidine）作为一种调节代谢物，通过生成羟丁胺化修饰的eIF5A（eIF5AH）来促进小鼠卫星细胞的激活和肌肉再生。 从机制上来说，研究团队揭示了eIF5A在骨骼肌激活期间选择性翻译Myod mRNA。MyoD长期以来被用作骨骼肌激活的分子标志物，但并不知道MyoD是否在骨骼肌激活中具有功能性作用。而该研究证明了eIF5A通过控制MyoD的翻译，在亚精胺介导的卫星细胞激活中发挥必不可少的关键作用。更重要的是，在小鼠中，卫星细胞中eIF5A的耗竭会导致肌肉再生受损。 亚精胺促进衰老卫星细胞激活，改善老年小鼠肌肉生理功能 总的来说，该研究定义了一种对卫星细胞激活至关重要的新机制，表明了亚精胺-eIF5A信号轴是激活内源性卫星细胞治疗肌肉疾病的有潜力的药理学靶点。

引言 亨廷顿疾病（Huntington’s disease, HD）是一种遗传性神经退行性疾病，由单个基因Huntingtin（HTT）缺陷导致，其特征是运动控制丧失以及认知能力和情绪稳定性的下降，常表现为不自主的舞蹈动作，因此又名亨廷顿舞蹈病【1】。该病遗传方式是显性遗传，HTT基因的一个特定区域（CAG重复区）会异常扩展，该片段编码一个长度可变的ployQ链。当这个polyQ链长度超过35个重复时，会导致蛋白质功能异常，进而损害脑细胞【2】。更长的polyQ链倾向于形成寡聚体（oligomers）、聚集体（aggregates）和包涵体（inclusion bodies），这些结构的形成被认为是导致神经毒性的源头【3】。关于HD发病机制还有另外一种假说，CAG重复序列可能通过RNA层面的毒性作用影响疾病的发展【4】。虽然已知突变型mHTT蛋白会产生聚集，但聚集与神经毒性之间的联系仍不清楚。 近日，来自美国斯坦福大学的Judith Frydman课题组在Nature Cell Biology上发表了研究论文Polyglutamine-mediated ribotoxicity disrupts proteostasis and stress responses in Huntington’s disease。在本研究中，作者探讨了HTT蛋白翻译和聚集的调控机制，发现了CAG扩展的突变体HTT蛋白通过核糖体毒性导致翻译过程中的过早终止，从而释放出易于聚集的mHTT蛋白，并进一步破坏细胞内蛋白质稳态和应激功能。这些发现不仅加深了科学家对HD发病机制的理解，也为其治疗提供了潜在的干预方案。 在人类和小鼠的HTT mRNA的5’非编码区中存在着一个保守的上游开放阅读框（uORF），uORF位于主要的ORF之前可以在mRNA被翻译成蛋白时起到调节作用。作者分析ribo-seq数据时发现uORF和主要的ORF都有核糖体启动，当用cycloheximide（CHX）处理阻断翻译的延长时，核糖体占据了uORF的整个区域，但没有延伸到主要的ORF区域，这表明uORF通过减少主要的ORF翻译启动抑制HTT基因在体内的翻译。而在thapsigargin（Tg）处理诱导应激反应的情况下，大部分mRNA翻译效率下降，但是HTT和另外一种同样含有uORF的Atf4基因在应激条件下却表现出mRNA翻译增强。这表明含有uORF的mRNA在不同情况下与众不同的翻译行为可能对HD的发病机制和疾病进展由重要影响。进一步分析发现uORF是通过调节翻译的起始来控制HTT蛋白的聚集，能够延迟包涵体的形成并减少倾向于聚集的mHTT片段的生成。此外，使用翻译起始抑制剂4EGI-1可以进一步减少这些神经毒性片段的产生，并在动物模型中改善症状。 接下来，作者研究了polyQ序列对HD疾病发展的作用。他们利用一种病毒载体来表达、标记并检测细胞中HTT新生链，研究发现polyQ链的扩展增加了核糖体碰撞和过早终止的风险，从而导致了聚集倾向的mHTT片段的释放。在翻译具有更长polyQ链的mHTT蛋白时，会招募更多的翻译质量控制（ROC）和蛋白质量控制（PQC）因子，特别是蛋白酶体与清除mHTT相关的因子。与此相反的是翻译延伸因子eIF5A在翻译mHTT蛋白时的显著减少，其与mHTT的相互作用可能导致聚集并影响神经功能。同时，随着HD小鼠模型年龄的增长，eIF5A的变化与疾病的症状恶化相关联，表明核糖体碰撞和相关的泛素化降解可能是HD神经退行的关键因素。更加重要的是，作者还发现mHTT与eIF5A相互作用并阻隔其功能，改变了数百种mRNA上的翻译延伸，进而破坏了蛋白质稳态，这一过程形成了蛋白质稳态功能障碍的恶性循环，因此可能加剧了HD的症状。 为了证实作者这一发现的可能性，研究人员随后探讨了HD中细胞如何响应由polyQ扩展引起的内质网应激和折叠错误蛋白质反应。研究发现，HD细胞在处理蛋白质折叠错误的应激时存在缺陷，这种应激反应引起了翻译启动因子eIF2a的磷酸化，以及由此诱发的整合应激反应。尤其是mHTT导致的eIF5A减少妨碍了保护性因子的有效翻译，通过补充eIF5A可以在一定程度上提高HD细胞在内质网应激下保护因子的表达。作者认为通过减少eIF5A的丢失或增加其活性可以作为治疗HD的潜在策略。 最后，作者认为如果mHTT使细胞对应激反应更加敏感，那么HD细胞对增加核糖体碰撞的药物就会特别敏感，这些药物通过减慢翻译延伸来触发核糖体碰撞。然而，这些细胞对通过减慢翻译启动的药物反应较弱，因此降低翻译启动速率可以减少核糖体碰撞和过早终止。这些结果说明在HD细胞中，通过调节翻译启动与延伸的平衡，可以潜在的减轻病理状态下核糖体碰撞和相关的应激反应，这为HD治疗提供了可能的干预途径。  模式图（Credit: Nature Cell Biology） 总的来说，这篇文章发现了降低mHTT水平和对抗其细胞毒性的靶点，CAG扩张会因核糖体碰撞而导致翻译终止，释放出具有神经毒性的mHTT片段，从而通过聚集隔绝eIF5A和其他蛋白质质量控制因子，导致神经元细胞蛋白质稳态障碍，抑制保护性应激反应的诱导。这些发现将有助于指导HD疾病治疗，提供了全新的干预策略。 参考文献 1. Bates, G. P. et al. Huntington disease. Nat. Rev. Dis. Prim. 1, 15005 (2015). 2. Finkbeiner, S. Huntington’s disease. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 3, a007476 (2011). 3. Jimenez-Sanchez, M., Licitra, F., Underwood, B. R. & Rubinsztein, D. C. Huntington’s disease: mechanisms of pathogenesis and therapeutic strategies. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 7, a024240 (2017). 4. Nalavade, R., Griesche, N., Ryan, D. P., Hildebrand, S. & Krauß, S. Mechanisms of RNA-induced toxicity in CAG repeat disorders. Cell Death Dis. 4, e752 (2013). https://doi.org/10.1038/s41556-024-01414-x 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArtMED” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述