Role of Ataxin-2 polyglutamine expansion on TDP-43 transport and post-transcriptional RNA regulation in neurons

Ataxin-2 聚谷氨酰胺扩增对神经元 TDP-43 转运和转录后 RNA 调节的作用

基本信息

  • 批准号:
    10653704
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.44万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-07-15 至 2026-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) are profoundly debilitating and fatal neurodegenerative diseases with overlapping clinical, pathologic and genetic features. Despite advances in our understanding of the pathology and genetic basis of ALS/FTD, the cellular mechanisms underlying neurodegeneration remain poorly understood, and current treatments extend life for only a few months. Almost all ALS patients and nearly half of FTD patients have pathologic aggregates composed of transactive response DNA-binding protein of 43 kDa (TDP-43), a DNA and RNA-binding protein with multiple roles in RNA stability, splicing and post-transcriptional RNA processing. Moreover, mutations in TDP-43 and other RNA-binding proteins cause familial and sporadic ALS/FTD, highlighting altered RNA metabolism as a common pathogenic mechanism of neurodegeneration. Recent studies have identified genetic interactions between TDP-43 and Ataxin-2, an RNA-binding protein that contains a polyglutamine (polyQ) tract normally 22-23 glutamines in length. Expansions of the Ataxin-2 polyQ tract (27-33 glutamines) increase risk for ALS and ALS-FTD overlap disease. However, the cellular and molecular mechanisms by which Ataxin-2 / TDP-43 interactions increase disease risk are unknown. The objective of this proposal is to determine the molecular basis of Ataxin-2 / TDP- 43 interactions and their impact on TDP-43 dependent RNA regulation, including RNA splicing and stability as well as spatiotemporal localization and translation of mRNA. In preliminary and published work, we and others find that TDP-43 and Ataxin-2 are components of neuronal ribonucleoprotein granules, RNA/protein-rich compartments that regulate mRNA stability, transport and translation. Our preliminary data show that Ataxin-2 polyQ expansions disrupt anterograde transport and fluorescence recovery after photobleaching of TDP-43 RNA granules that contain mutant Ataxin-2. Collectively, these data support our central hypothesis: Ataxin-2 polyQ expansions aberrantly scaffold TDP-43 / Ataxin-2 interactions and sequester TDP-43, disrupting nuclear and cytoplasmic functions of TDP-43. We will test this central hypothesis using complementary live-cell imaging and single-molecule imaging approaches, single-molecule FRET, translation assays, and RNA- sequencing/transcriptomics (i) to study the effect of Ataxin-2 polyQ expansions on TDP-43 transport and post- transcriptional regulation of TDP-43 target mRNAs in wild-type or Ataxin-2 mutant neurons; and (ii) to identify Ataxin-2 and TDP-43 domains required for aberrant interaction and to design small molecule inhibitors of TDP- 43 / Ataxin-2 polyQ interactions. The proposed research will provide new insights into (1) the molecular basis of Ataxin-2/TDP-43 interactions that confer increased ALS and ALS-FTD risk, (2) how Ataxin-2 polyQ expansions interact with TDP-43 to impact the transcriptome and spatiotemporal localization of mRNA in neurons, and (3) potential molecular targets for mechanism-based therapies.
肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和额颞痴呆(FTD)令人衰弱和致命 神经退行性疾病具有重叠的临床,病理和遗传特征。尽管我们的进步 了解ALS/FTD的病理和遗传基础,该基础是细胞机制 神经变性仍然很少了解,目前的治疗只会延长几个月的寿命。几乎 所有ALS患者和近一半的FTD患者均具有由交易反应组成的病理骨料 43 kDa(TDP-43)的DNA结合蛋白,一种DNA和RNA结合蛋白,在RNA稳定性中具有多个作用, 剪接和转录后RNA处理。此外,TDP-43和其他RNA结合中的突变 蛋白质引起家族性和零星ALS/FTD,突出了RNA代谢改变为常见的致病作用 神经退行性的机理。最近的研究确定了TDP-43和 Ataxin-2,一种RNA结合蛋白,其中包含聚谷氨酰胺(Polyq)裂纹,通常在通常22-23个谷氨酰胺中 长度。 Ataxin-2 Polyq道(27-33谷氨酰胺)的膨胀增加了ALS和ALS-FTD重叠的风险 疾病。然而,ataxin-2 / tdp-43相互作用增加的细胞和分子机制 疾病风险未知。该建议的目的是确定ataxin-2 / tdp-的分子基础 43相互作用及其对TDP-43依赖性RNA调控的影响,包括RNA剪接和稳定性 以及mRNA的时空定位和翻译。在初步和发表的工作中,我们和其他人 发现TDP-43和ataxin-2是神经核核蛋白颗粒,富RNA/蛋白质的成分 调节mRNA稳定性,运输和翻译的隔室。我们的初步数据表明ataxin-2 TDP-43光漂白后,PolyQ扩展破坏了顺行传输和荧光恢复 含有突变型催化剂2的RNA颗粒。总的来说,这些数据支持我们的中心假设:ataxin-2 Polyq扩展异常支架TDP-43 / Ataxin-2相互作用和隔离TDP-43,破坏了核 TDP-43的细胞质功能。我们将使用互补的活细胞检验此中心假设 成像和单分子成像方法,单分子fret,翻译测定和RNA- 测序/转录组学(i)研究ataxin-2 polyq扩展对TDP-43传输和后的影响 野生型或ataxin-2突变神经元中TDP-43目标mRNA的转录调节; (ii)确定 异常相互作用所需的ataxin-2和TDP-43结构域,并设计了TDP-的小分子抑制剂 43 / ataxin-2 polyq相互作用。拟议的研究将为(1)分子基础提供新的见解 ataxin-2/tdp-43相互作用赋予ALS和ALS-FTD风险,(2)ataxin-2 polyq如何 扩展与TDP-43相互作用,以影响mRNA在中的转录组和时空定位 神经元和(3)基于机理疗法的潜在分子靶标。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
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会议论文数量(0)
专利数量(0)
Sequence Determinants of TDP-43 Ribonucleoprotein Condensate Formation and Axonal Transport in Neurons.
Ataxin-2 polyglutamine expansions aberrantly sequester TDP-43, drive ribonucleoprotein condensate transport dysfunction and suppress local translation.
Ataxin-2 聚谷氨酰胺扩增异常地隔离 TDP-43,导致核糖核蛋白凝聚物转运功能障碍并抑制局部翻译。
  • DOI:
    10.1101/2023.01.30.526372
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Wijegunawardana,Denethi;Vishal,SonaliS;Venkatesh,Neha;Gopal,PallaviP
  • 通讯作者:
    Gopal,PallaviP
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  • 发表时间:
    2024-02-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Muthu Raj Salaikumaran;Pallavi P. Gopal
  • 通讯作者:
    Pallavi P. Gopal

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