基础医学院周以侹团队在?Cell Reports发文阐明多聚谷氨酰胺突变序列导致成骨发育不良的机制

氨基酸重复序列（aminoacidhomorepeat）是指蛋白质中某种氨基酸连续重复出现的序列，在基因转录、应对外界压力、发育调控中发挥重要作用。值得注意的是，氨基酸重复序列经常会发生扩增及删除等突变，并导致一系列疾病，特别是多聚谷氨酰胺的扩增会导致超过50种人类疾病。Runx2是调控成骨发育最关键的转录因子，在其氨基端存在连续23个谷氨酰胺（polyQ）和16个丙氨酸（polyA）的重复序列。该序列会发生扩增及删除突变，并会导致成骨发育不良、低骨量、骨质疏松等相关疾病，但相关的病理机制尚不清楚。

周以侹课题组近日于《CellReports》杂志发文，揭示了发生在Runx2多谷氨酸序列（polyQ）的删除突变，通过诱导Runx2蛋白的异常凝聚，导致成骨不良疾病的机理。

本研究提出的“多聚谷氨酰胺删除突变导致成骨不良疾病”的模式图

课题组发现，删除多谷氨酸序列会导致Runx2滞留在细胞质中并形成聚集，而删除多丙氨酸序列则无此现象。他们利用光漂白回复实验发现，缺失多谷氨酸序列的Runx2突变（Runx2-DQ）表现为凝胶状性质，说明其发生了相分离异常。有趣的是，纯化出的Runx2-DQ突变蛋白在体外则表现出和野生型相似的相分离能力，提示在细胞中存在某个未知的分子，能够通过polyQ序列来调控Runx2的相分离。课题组近期发表在《JournalofCellBiology》的两篇论文，提出入核转运蛋白和出核转运蛋白能够分别通过“竞争性占据模型”和“空间位阻模型”两种方式，来调控核内蛋白的相分离。基于这些前期发现，研究人员通过免疫共沉淀筛选，确认入核转运受体KPNA3能够特异性地结合Runx2的入核定位序列（nuclearlocalizationsignal，NLS），并通过“空间位阻模型”来调控其凝聚。我们利用AlphaFold3对Runx2-DQ突变进行模拟结构分析，发现缺失多谷氨酸序列后，Runx2的氨基端会发生折叠，并阻挡KPNA3与Runx2NLS之间的互作。这一空间结构的改变，导致Runx2-DQ突变蛋白的相分离不受KPNA3的控制，在细胞质内呈现凝胶状聚集，并破坏成骨细胞分化。我们进一步根据临床上发现的两个Runx2突变病例，分别构建了删除7个谷氨酸和8个谷氨酸的模拟疾病突变质粒。这两个Runx2的突变蛋白同样丧失与KPNA3的结合能力，并表现出细胞质内的异常凝聚。这一研究阐明了多聚谷氨酸删除突变导致成骨相关疾病的机理，并证明课题组近期提出的“空间位阻模型”在调控凝聚体的形成中具有普适性。

主要工作由翁嘉晖硕士研究生和徐水波博士后完成，浙二医院骨科吴立东主任、沈炜亮主任、徐水波博士后和浙江大学基础医学院周以侹为共同通讯作者。本研究受到基金委创新研究群体、面上项目和浙江省领雁项目等资助。