Альтернативное полиаденилирование мРНК в нейронах может быть связано с нейродегенерациями

Процессинг пре-мРНК значительно влияет на структуру и функцию транслируемого белка, а изменения в нем играют роль в развитии патологий. Известно, что боковой амиотрофический склероз (БАС) и лобно-височная деменция (ЛВД) ассоциированы с альтернативным сплайсингом некоторых транскриптов. Важным регулятором сплайсинга в этих случаях выступает РНК-связывающий белок TDP-43, локализованный в ядре клетки. Он отвечает и за другую посттранскрипционную модификацию — полиаденилирование 3′-конца пре-мРНК. При этом транскрипты могут иметь несколько сайтов полиаденилирования, в зависимости от которых меняется длина 3′ нетранслируемой области (3′ UTR), с которой могут взаимодействовать микроРНК и РНК-связывающие белки. Таким образом, полиаденилирование может напрямую влиять на активность трансляции мРНК. Авторы публикации в Journal of Clinical Investigation проанализировали паттерны полиаденилирования в нейронах людей с БАС/ЛВД и предположили, как TDP-43-ассоциированное полиаденилирование связано с патогенезом этих заболеваний.

Используя опубликованные данные по секвенированию РНК клеточных линий нейронов, ученые проанализировали влияние нокдауна TDP-43 на альтернативное полиаденилирование (APA). Оказалось, что при снижении экспрессии TDP-43 оно наблюдалось более чем у половины генов с альтернативными сайтами полиаденилирования, причем происходило по дистальному сайту. Однозначной тенденции к укорачиванию или удлинению 3′ UTR не наблюдалось. Функциональный анализ генов, подверженных APA, показал, что они связаны с установлением локализации белков (establishment of protein localization) и организацией цитоскелета. Также альтернативное полиаденилирование затрагивало киназную активность, связывание протеинкиназ и белков цитоскелета — компоненты клинически значимых клеточных путей.

Альтернативное полиаденилирование приводит к удлинению или укорочению 3'-UTR.
Credit:
Journal of Clinical Investigation (2025). DOI: 10.1172/JCI182088 | CC BY

Исследователи показали, что TDP-43 непосредственно связывается с 3′ UTR примерно в половине генов, склонных к альтернативному полиаденилированию. При этом связывание TDP-43 вблизи дистального сайта полиаденилирования коррелировало с его блокировкой, а при дефиците TDP-43 такие сайты начинали использоваться чаще. На примере гена CNPY3 ученые продемонстрировали, что нокдаун TDP-43 смещает полиаденилирование в сторону варианта с длинным 3′ UTR, при этом уровень белка CNPY3 снижается. В тканях мозга пациентов с БАС/ЛВД также выявлено усиление экспрессии этой изоформы. Для гена SMC1A, наоборот, TDP-43 способствовал выбору дистального сайта, потеря TDP-43 приводит к укороченному 3′ UTR и увеличению продукции белка, что может влиять на организацию хроматина в нейронах.

Анализ данных секвенирования РНК нейронов с мутантным TDP-43 показал аналогичное смещение сайтов полиаденилирования на дистальные для. Преимущественно оказались затронуты гены оксидативного стресса, что согласуется с данными о его роли в патогенезе нейродегенеративных заболеваний. Эксперименты in vitro показали, что в клетках с мутантным TDP-43 повышена концентрация активных форм кислорода по сравнению с контрольными клетками.

Далее ученые провели серию экспериментов с клетками неокортекса пациентов с БАС/ЛВД. Оказалось, что, в отличие от предыдущих экспериментов, снижение ядерного TDP-43 в этих клетках приводило к росту укороченных 3′ UTR и снижению доли дистально полиаденилированных мРНК. Были затронуты группы генов, отвечающих за сборку синапсов, транспорт белков и гистаминовый ответ — молекулярные пути, также ассоциированные с развитием нейродегенеративных заболеваний.

Наиболее значимое удлинение 3′ UTR наблюдалось в транскрипте MARK3 — эта киназа связана с работой микротрубочек и важна для функций нейронов. Предположительно, в норме TDP-43 блокирует дистальный сайт полиаденилирования, что соответствует короткому варианту 3′ UTR. При снижении ядерного TDP-43 дистальный сайт становится доступным для полиаденилирования, удлиняя 3′ UTR, а уровень MARK3 повышается. На фоне роста экспрессии MARK3 в нейронах усиливается фосфорилирование тау-белка по остаткам Ser262 — мишени киназ MARK3 и MARK4. При этом уровень белка MARK3 не изменяется, но он перераспределяется из тела нейрона в его отростки, как и фосфорилированный тау. Эти данные указывают на то, что TDP-43 может влиять на тау-патологию через регуляцию альтернативного полиаденилирования MARK3 и локализации этой киназы в клетке.

Работа демонстрирует, что потеря TDP-43 нарушает альтернативное полиаденилирование в нейронах, приводя к удлинению 3′ некодирующей области в гене MARK3. Это усиливает фосфорилирование тау-белка и его перераспределение в нейронах. Это связывает TDP-43-патологию с нарушением цитоскелета и нейродегенерацией, подчеркивая значимость посттранскрипционных процессов при БАС и ЛВД.

Развитие БАС может быть связано с нарушением работы первичных ресничек нейронов