Nature Neuroscience：多组学解析神经退行性疾病新机制：蛋白稳态与脂代谢的交叉调控
UBQLN2在神经退行性疾病中将蛋白毒性与脂质代谢相关联
2026年3月，约翰霍普金斯大学等单位的相关研究人员在《Nature Neuroscience》（IF：20）上发表了题为“UBQLN2 links proteotoxicity with lipid metabolism in neurodegeneration”的研究论文，揭示了UBQLN2是ALS/FTD及其他相关神经退行性疾病中代谢稳态的关键调控因子，其作为蛋白质质量控制与代谢平衡的协调者，为理解生理和病理条件下细胞稳态的维持提供了关键见解。
亮点概述：
- 多组学分析揭示UBQLN2是连接脂质代谢失调与蛋白质稳态的分子枢纽，其扰动促使神经退行性病变。
- UBQLN2通过靶向ILVBL和ALDH3A2介导蛋白酶体降解，从而调控脂质稳态。
- TDP-43蛋白病变破坏了UBQLN2–ILVBL/ALDH3A2轴，导致ALS中蛋白质稳态受损和脂质代谢失调。
研究背景：
神经退行性疾病，如肌萎缩侧索硬化症（ALS，又称渐冻症）和额颞叶痴呆（FTD），不仅表现为蛋白质稳态受损，还伴有脂质代谢紊乱。在ALS/FTD患者和模型中，神经元和胶质细胞的葡萄糖代谢异常，线粒体功能障碍导致慢性能量应激。在葡萄糖缺乏时，细胞将能量代谢重编程转向脂质代谢，伴随自噬膜消化和脂滴（LDs）生物生成作为代偿性能源。然而，在ALS/FTD中连接蛋白质病变、葡萄糖代谢受损和脂质代谢重编程的分子机制仍未完全阐明。UBQLN2作为一种泛素结合穿梭蛋白，与家族性和散发性ALS/FTD遗传相关。除了其在蛋白质稳态中的典型作用外，近期研究表明UBQLN2还参与包括应激颗粒动力学、线粒体质量控制和轴突重塑等多种细胞功能。
研究结果：
为探究UBQLN2在ALS/ FTD中的功能，研究人员利用CRISPR基因编辑将X连锁UBQLN2突变（P497H或P506T）导入男性人类诱导多能干细胞（iPSC）系中，并将其分化为携带UBQLN2突变的运动神经元（iMNs）。基于SILAC的蛋白质组学分析显示，UBQLN2突变会整体延长蛋白质组的半衰期，特别是在葡萄糖剥夺的能量应激条件下，这种蛋白质稳态失衡会进一步加剧。基因集富集分析（GSEA）显示，突变细胞中受影响的生物通路不仅包括蛋白质质量控制、RNA代谢及翻译等UBQLN2相关功能外，还涉及碳水化合物（尤其是葡萄糖和脂质通路），并上调了细胞饥饿反应，表明蛋白质半衰期紊乱是UBQLN2突变型iMNs代谢功能障碍的核心机制，且在能量应激条件下表现显著。进一步分析对代谢通路的影响，结果显示在葡萄糖剥夺条件下，突变细胞的线粒体功能相关通路上调而神经元功能下调，其中线粒体脂肪酸氧化（FAO）过程过度激活，这可能加剧了能量应激状态下的代谢失衡。
全局蛋白质组周转分析揭示能量应激条件下UBQLN2突变运动神经元的代谢重塑
鉴于UBQLN2突变型iMNs对能量应激的敏感性增强，研究人员在葡萄糖剥夺条件下对突变体及同基因型iMNs的脂质组学与转录组学进行分析，以全面表征代谢改变。脂质组显示两种突变细胞（P497H及P506T）的脂质谱相近且与对照组存在显著差异，多种脂质分子表达下调；转录组则发现突变细胞存在广泛的转录抑制，GSEA富集提示脂质代谢、突触功能与运动神经元功能及神经元存活相关通路受损。多组学整合分析可清晰区分突变型与同基因对照组细胞，代谢过程是最显著富集的生物学通路，提示UBQLN2在ALS/FTD中失调的代谢调控中发挥关键作用。
LDs是动态细胞器，负责储存中性脂质并支持能量代谢与膜功能。在UBQLN2突变型iMNs中与LDs相关的脂质（尤其是胆固醇酯（CEs）和甘油三酯（TAGs））显著减少。在葡萄糖剥夺条件下，长链底物（棕榈酰辅酶A）产生的FADH2和NADH水平在突变型iMNs中显著高于同基因对照，表明应激状态下长链FAO过度激活，这与蛋白质组及脂质组学中含长链脂肪酸的TAGs丰度降低结果一致。多组学分析显示UBQLN2突变型iMNs突触功能通路异常，在葡萄糖剥夺条件下，UBQLN2突变型iMNs的突触囊泡完整性和存活率降低，同时胆固醇水平显著下降，而补充低剂量胆固醇可特异性改善突变细胞活力并恢复突触囊泡水平，提示胆固醇缺乏特异性地加剧了UBQLN2突变型iMNs的易损性。综合这些结果表明，脂质代谢紊乱，尤其是LD耗竭、FAO过度激活以及胆固醇缺乏，共同导致了UBQLN2相关的ALS/FTD中的神经退行性病变。
多组学分析揭示UBQLN2突变型iMNs中的代谢变化
为在三维模型中研究与ALS/FTD相关的UBQLN2突变所导致的代谢表型，研究人员从iPSCs构建了大脑皮质类器官（COs）。该UBQLN2相关ALS/ FTD 微型脑模型表现出脂质代谢受损与神经元凋亡。从空间层面分析代谢应激下的神经元易损性结果表明，UBQLN2突变类器官对代谢应激表现出更高易损性，而补充胆固醇可缓解该效损伤。
为明确UBQLN2在脂质代谢中的作用，研究人员对UBQLN2敲低的HeLa细胞在糖剥夺和基础条件培养基下进行了脂质组学分析，共定量了17类合计430种脂质分子。结果显示，在糖剥夺条件下，敲低UBQLN2会导致TAGs和CEs显著减少，并显著耗竭LDs，而过表达UBQLN2则增加LDs丰度，表明UBQLN2是维持LD稳态所必需的。研究人员进一步探究了UBQLN2是否调控线粒体脂质分解代谢，UBQLN2缺失选择性增加长链脂肪酸的氧化速率，并导致代谢灵活性下降，表明UBQLN2通过调控线粒体脂质分解代谢来支持细胞在代谢应激下的适应能力。在胆固醇稳态方面，UBQLN2敲低会使CE减少，糖剥夺条件下总胆固醇和游离胆固醇水平下降，而过表达UBQLN2则可剂量依赖性提升细胞胆固醇含量，且胆固醇摄取未受影响，提示其缺乏源于合成受损而非摄取减少。长链脂酰辅酶A可激活AMPK，从而抑制胆固醇合成，由于UBQLN2基因敲除能增强线粒体FAO，研究人员探究了这种增强的线粒体FAO是否会导致胆固醇减少。结果表明UBQLN2缺乏细胞中胆固醇耗竭源于线粒体FAO增强及后续AMPK激活。
UBQLN2调控细胞内LDs稳态和脂肪酸代谢
为探究UBQLN2如何调控代谢，研究人员将UBQLN2互作蛋白组与iMNs的蛋白质组周转数据进行了联合比对分析。筛选出UBQLN2的关键代谢底物蛋白ILVBL和ALDH3A2，二者均为是脂质代谢的关键酶，也是UBQLN2下拉相互作用组中最富集的蛋白，在UBQLN2敲低细胞中丰度增加且半衰期延长，证实UBQLN2可调节这两种蛋白质的代谢周转率。以ILVBL蛋白为模型的机制研究显示，UBQLN2通过不同结构域与ILVBL蛋白相互作用，从而促进其蛋白酶体降解过程。
据以往报道，ILVBL和ALDH3A2定位于内质网和过氧化物酶体，在能量应激状态下，会与LDs和线粒体相关联。ALDH3A2在基础条件下已与线粒体发生共定位，而在导致LDs丰度增加的糖剥夺应激条件下，其重新分布至LD-线粒体接触位点。这些空间动态变化表明，这两种酶在代谢应激期间协同调控LD-线粒体脂质代谢过程。随后，研究人员评估了ILVBL和ALDH3A2在线粒体脂质分解代谢中的作用，结果表明ILVBL和ALDH3A2是UBQLN2的关键效应分子，在能量应激状态下维持线粒体FAO与脂质稳态。
UBQLN2通过靶向ILVBL和ALDH3A2进行蛋白酶体降解来调节脂质稳态
蛋白质组周转分析显示，在ALS/FTD相关UBQLN2突变的iMNs中，ILVBL和ALDH3A2的半衰期显著延长，提示UBQLN2–ILVBL/ALDH3A2信号轴失调与这些致病突变相关。机制上，ALS/FTD相关的UBQLN2突变会减弱其与ILVBL的相互作用，并在葡萄糖剥夺时加速突变型UBQLN2的降解，最终通过底物结合能力受损与增加自身周转共同导致UBQLN2功能丧失。功能上，表达突变UBQLN2的HeLa细胞内LDs和胆固醇水平降低；在小鼠体内，突变型UBQLN2会使海马神经元LDs减少、ILVBL和ALDH3A2蛋白水平升高，并伴随脊髓神经元凋亡增加；而回补野生型UBQLN2可改善突变神经元存活，表明适宜水平的UBQLN2活性对于维持其底物蛋白的稳定性及神经元整体健康至关重要。
随后，研究人员在小鼠模型证实了ILVBL和ALDH3A2是介导突变型UBQLN2诱导体内神经退行性变的关键效应因子。野生型UBQLN2作为蛋白质量控制因子可促进TDP-43等神经退行相关蛋白的清除，疾病相关蛋白毒性对WT UBQLN2功能的影响仍不明确。研究人员探究了TDP -43相关蛋白毒性如何影响UBQLN2– ILVBL /ALDH3A2轴及脂质代谢，结果表明TDP -43干扰UBQLN2与其底物蛋白的相互作用，从而削弱其调控脂质代谢的功能。进一步在患者来源的运动神经元和临床样本中的分析证实，TDP-43蛋白病变会破坏UBQLN2– ILVBL /ALDH3A2轴功能，导致ALS患者出现蛋白质稳态受损和脂质代谢失调。基于上述发现，研究人员在TDP-43突变型iMNs中敲低ILVBL或ALDH3A2基因进行验证，结果显示通过干预ILVBL、ALDH3A2或补充胆固醇来靶向干预脂质代谢失调，可缓解TDP-43突变神经元对代谢应激增强的易感性。
TDP-43蛋白毒性破坏UBQLN2介导的脂质代谢
综上所述，该研究揭示了UBQLN2是蛋白质稳态与脂质代谢之间的关键连接因子，其通过两个关键底物酶ILVBL和ALDH3A2发挥作用。UBQLN2–ILVBL/ALDH3A2轴会因疾病相关的UBQLN2突变或TDP-43蛋白毒性而遭到破坏，从而导致脂质代谢重编程，这共同促成了ALS/FTD及相关神经退行性疾病的发病机制。
