厦门免费医学论文发表-天然 SEL1L 变体挽救 NGLY1 缺陷模型并改变 ERAD 功能和蛋白酶体敏感性

2025-08-11

厦门免费医学论文发表-天然 SEL1L 变体挽救 NGLY1 缺陷模型并改变 ERAD 功能和蛋白酶体敏感性

特拉维斯·图伊福阿,周镇仁

发布时间:2025 年 8 月 7 日


抽象

N-甘氨酸酶 1 (NGLY1) 缺乏症是一种极其罕见的疾病,由 NGLY1 基因的常染色体隐性遗传功能丧失突变引起。NGLY1 从细胞质中的糖蛋白中去除 N 连接聚糖,并被认为有助于通过 ER 相关降解 (ERAD) 途径清除内质网 (ER) 中错误折叠的蛋白质。尽管如此,NGLY1 在 ERAD 中的生理意义尚不清楚。NGLY1 的最佳表征底物是 NRF1,这是一种上调蛋白酶体表达和蛋白酶体反弹反应的转录因子。我们之前使用 NGLY1 缺乏的果蝇模型进行了遗传修饰筛选,并确定了改变模型致死率的潜在修饰剂。我们在 Hrd3/SEL1L 中鉴定了两种蛋白质编码变体:S780P 和 Δ806–809。两种变体都定位于 SEL1L 细胞质尾部,这是一个未表征的结构域。SEL1L 是 ERAD 复合物的一种成分,可将错误折叠的蛋白质从 ER 逆转易位到细胞质以进行降解。我们使用 CRISPR 生成了在共同遗传背景下携带这些 SEL1L 变体的苍蝇系,并使用我们的 NGLY1 缺陷模型对其进行了测试。验证我们之前的屏幕,SEL1LS780P和 SEL1LΔ806-809与SEL1L相比,变异提高了NGLY1缺陷模型的存活率S780型变体。为了确定这些 SEL1L 变体如何改变 NGLY1 缺乏症的致死率,我们询问了 ERAD 和 NRF1 信号通路。我们发现 SEL1LS780P和 SEL1LΔ806-809变体提高了对内质网应激的抵抗力,增强的 ERAD 功能可能是一种促成机制。这种效应取决于 NGLY1 活性,进一步表明 NGLY1 与一般 ERAD 功能有关。我们还发现,在杂合的 NGLY1 无效果蝇中,这些变体可以防止某些缺陷,例如蛋白酶体抑制引起的致死率增加。这些结果为SEL1L在NGLY1缺乏症发病机制中的作用提供了新的见解。SEL1L 是患者中一种强的候选修饰基因,在患者中表现的变异性很常见。


作者总结

NGLY1 缺乏症是一种使人衰弱的罕见遗传性疾病。目前没有针对 NGLY1 缺乏症的治疗选择,而且对 NGLY1 生物学仍然知之甚少。我们之前在 NGLY1 缺乏的果蝇模型中进行了遗传修饰筛选,并确定了许多影响我们模型存活的候选修饰基因。修饰基因可以帮助揭示 NGLY1 生物学和 NGLY1 缺乏症的发病机制。在这项研究中,我们跟踪了 Hrd3 的两种天然蛋白质编码变体(人类基因 SEL1L 的苍蝇版本),它们提高了我们的 NGLY1 缺陷模型的成年存活率。SEL1L 是称为内质网相关降解 (ERAD) 通路的重要质量控制途径的关键组成部分。我们发现这些 SEL1L 变体增加了对 ER 应激的抵抗力,并可能增强 ERAD 功能。这些 SEL1L 变体还改变了 NGLY1 缺乏症对蛋白酶体抑制的敏感性。本研究证实了SEL1L是NGLY1缺陷的重要修饰基因。对 ERAD 和蛋白酶体降解途径的进一步研究可能会揭示 NGLY1 缺乏的其他候选修饰基因和治疗开发的潜在靶点。


数字

图4图1图2图3图4图1图2图3

 

引文: Tu'ifua TK, Chow CY (2025) 天然 SEL1L 变体挽救了 NGLY1 缺乏症模型并改变了 ERAD 功能和蛋白酶体敏感性。公共科学图书馆基因 21(8): 电子邮件 1011823。 https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823


编辑 器: Gregory M. Cooper,美国哈德逊阿尔法生物技术研究所


收到: 2025 年 3 月 12 日;接受: 2025 年 7 月 29 日;发表: 8月 7, 2025


版权所有: © 2025 Tu'ifua, Chow。这是一篇根据知识共享署名许可条款分发的开放获取文章,允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制,前提是注明原作者和来源。


数据可用性: 作者确认,研究结果所依据的所有数据都是完全可用的,不受限制。所有相关数据都在论文及其支持信息文件中。


资金: 这项工作得到了 NIGMS R35 GM124780、Grace Science Foundation 的资助以及 Might 家族向 CYC 的礼物的支持。TKT 得到了 NCATS、NIH TL1TR002540 和 ASHG 人类遗传学学者倡议的支持。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。


利益争夺: 提交人声明不存在竞争利益。


介绍

N-甘糖酶 1 (NGLY1) 缺乏症是一种极其罕见的疾病,也是第一个被发现的先天性去糖基化疾病 (CDDG)。该病由NGLY1基因的常染色体隐性遗传功能丧失突变引起[1,2]。NGLY1 是一种胞质去糖基化酶,可从蛋白质中去除 N 连接聚糖。NGLY1被认为是内质网(ER)相关降解(ERAD)途径的组成部分,ERAD是一种重要的细胞质量控制机制,可将错误折叠的蛋白质从ER去除到胞质溶胶中进行降解[3,4]。然而,NGLY1的丢失对ERAD影响不大,也不能阻止错误折叠蛋白的降解[5\u20127]。因此,尽管 NGLY1 具有已知作为去糖基化酶的功能,但 NGLY1 的生理意义和疾病发病机制仍然知之甚少。


NGLY1缺乏的特征是广泛的表型异质性,即使在具有相同NGLY1突变的患者中也是如此[2,8],提示存在遗传修饰因子。在之前的基因筛选中,我们确定了61个潜在的修饰基因,这些基因与NGLY1缺乏果蝇模型的存活率变化有关[9]。从这个筛选中,我们的主要点击是Ncc69(人NKCC1/2的果蝇直系同源物),它编码保守的离子转运蛋白,我们表明它既是NGLY1的底物,也是NGLY1缺陷的修饰剂[9]。我们在筛选中鉴定的另一个有趣的候选修饰基因是 Hrd3(以下称为人类直系同源物 SEL1L)。通过全基因组关联研究(GWAS),我们确定了SEL1L中的一种自然错义变异,该变异与果蝇NGLY1缺陷模型的存活率增加有关[9]。这种 SEL1L 变体是丝氨酸 780 的脯氨酸 (SEL1LS780P).此外,我们在菌株中发现了一种私有蛋白质编码缺失,显示出几乎完全挽救 NGLY1 缺陷致死率。第二个变体是氨基酸 806–809 (SEL1LΔ806-809).两种变体相距 26 个氨基酸,位于 SEL1L 的细胞质尾部。


SEL1L 是一种单通道 ER 膜蛋白,也是 ERAD 的关键、成熟的成分。ERAD与其他质量控制机制(如未折叠蛋白反应(UPR)和自噬)一起发挥作用,以维持内质网稳态并防止内质网应激[10\u201212]。SEL1L-Hrd1 ERAD复合物是ERAD从酵母到人类的最保守的分支,可将错误折叠的蛋白质从内质网转移到细胞质溶胶中以进行蛋白酶体降解[13\u201215]。SEL1L的管腔结构域有助于识别内质网腔中的ERAD底物,跨膜结构域有助于将蛋白质通过内质网膜移动到细胞质溶胶[16]。SEL1L的细胞质尾部是跨物种高度无序的区域,其功能尚不清楚。


在之前的研究中,SEL1L和NGLY1都被确定为NRF1的遗传修饰因子,NRF1是一种负责蛋白酶体反弹反应的转录因子[17,18]。NRF1在内质网中共翻译和糖基化,然后逆转易位到细胞质,这一过程需要ERAD机制,包括SEL1L、HRD1和p97[13,17,19]。一旦进入细胞质,NRF1就会被NGLY1去糖基化,NGLY1将天冬酰胺残基编辑为天冬氨酸,是NRF1激活、定位和转录功能所必需的[18,20]。蛋白酶DDI1/2还裂解NRF1,促进其激活和核易位[20]。然而,一些研究表明,在没有DDI1/2活性的情况下,全长NRF1可以到达细胞核,这表明其作用可能是环境或物种特异性的[17,18]。尽管SEL1L与NRF1活性有遗传联系,并且是Hrd1 ERAD复合物的关键组成部分,但其在NRF1逆转易位中的具体机制作用尚未完全阐述[13,17,21]。然而,SEL1L 与介导 NRF1 从内质网错位密切相关,并可能调节蛋白酶体应激条件下 NRF1 激活的效率。在健康的稳态条件下,活化的NRF1被蛋白酶体组成型降解。然而,在蛋白酶体应激条件下,NRF1不会降解,在细胞质中积累,并被转运到细胞核,在那里它充当转录因子并上调增加蛋白酶体功能的基因,包括蛋白酶体亚基基因[17,18,22]。NRF1 的这种激活称为蛋白酶体反弹反应。NGLY1和ERAD机制是NRF1激活所必需的,其中任何一个的缺失都会阻止蛋白酶体反弹反应[17,18]。


在这项研究中,我们表征了在我们的 NGLY1 缺陷基因筛选中发现的两种新的 SEL1L 变体的功能后果。我们将SEL1L变体置于同基因背景上,以测试每个变体对SEL1L和NGLY1的影响。SEL1L 变体提高了我们的 NGLY1 缺陷模型中的羽化率和成年期存活率,验证了修饰剂筛选的观察结果。SEL1L 变体还以 NGLY1 依赖性方式增强 ERAD,并在蛋白酶体抑制期间提供保护性适应性优势。我们的结果表明,SEL1L 是 NGLY1 的修饰剂,SEL1L、NGLY1 和 NRF1 之间的相互作用可能是这些观察到的适应性变化的基础。这些遗传相互作用是 NGLY1 缺乏症治疗的潜在靶点。


结果

SEL1L型S780P和 SEL1LΔ806-809变异增加 NGLY1 缺陷模型的羽化率和成年生存率

在之前的一项研究中,我们将NGLY1缺陷果蝇模型与果蝇遗传参考组合(DGRP)的近200株进行了交叉,该模型使用GAL4/UAS系统普遍表达针对NGLY1的RNAi[9,23]。在标准实验室背景下,NGLY1缺陷模型的成年生存率为~30%[7,9]。在DGRP菌株中,NGLY1缺陷模型的羽化率和成年存活率范围为0至100%,表明致死率可通过遗传背景进行高度改变。我们进行了 GWAS 以确定与成年生存率增加相关的候选修饰基因。主要相关变体之一是 SEL1L 中的 S780P 错义变体。SEL1LS780P与常见的 SEL1L 相比,次要等位基因与 NGLY1 缺乏模型的羽化率和成年生存率增加相关S780型等位基因。我们还发现,筛选中羽化率接近100%且存活至成年的DGRP菌株(DGRP菌株379)携带私有SEL1L变体,导致氨基酸806–809(SEL1LΔ806-809). This strain also carries the more common S780 allele. SEL1LΔ806-809 was not formally identified through the GWAS because it is a private variant in a single DGRP strain. Because these two variants were both in the cytoplasmic tail of SEL1L, a functionally uncharacterized region of the protein, we sought to understand how these variants were affecting eclosion rates and survival to adulthood of the NGLY1 deficiency model. We used CRISPR to place each of the SEL1L variants (Fig 1A) onto the same isogenetic background, creating three strains that are homozygous for SEL1LS780, SEL1LS780P, or SEL1LΔ806-809.这使我们能够测试每个 SEL1L 变体特有的表型差异。


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图1. SEL1L 变体可增加 NGLY1 缺陷的羽化率和成年期存活率。


(A)三个SEL1L变体等位基因的氨基酸序列。红色框突出显示等位基因之间的差异。(B) SEL1L(S/P,+/+)和 SEL1LΔ806-809/+与SEL1L相比,基因型显著提高了NGLY1敲低的羽化率和成年存活率(~70%)(45%,p < 0.0001)。卡方检验。(C)NGLY1 KD果蝇的寿命显示,SEL1L基因型之间的存活率至成年期无显著差异。Cox 比例风险回归分析。+/+


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.g001


在我们的原始筛选中,我们将携带 GAL4 和 NGLY1 RNAi 转基因的菌株与 DGRP 菌株杂交。致死率是根据 F1 果蝇的羽化率和成年存活率进行评分的,这些果蝇的基因组一半来自 NGLY1 RNAi 菌株,一半来自不同的 DGRP 菌株。因为NGLY1 RNAi菌株对常见的野生型SEL1L是纯合的S780型等位基因,DGRP 菌株在 F1 代中引入的任何新的 SEL1L 变体都与 SEL1L 杂合S780 allele. For clarity, we will refer to the more common major S780 allele as “wildtype” or SEL1L. Therefore, the relevant SEL1L genotypes from our screen are: SEL1L, SEL1L+/++/+S780P/+, or SEL1L Δ806-809/+. We focus our analyses on these three SEL1L genotypes throughout this study.


Based on the original DGRP screen, we expected that the SEL1LS780P/+ and SEL1LΔ806-809/+ genotypes would increase eclosion rates and survival to adulthood of the NGLY1 model, compared to the wildtype SEL1L genotype. To validate the results of the screen, we crossed the same NGLY1 RNAi strain used in the modifier screen with each of our new SEL1L variant CRISPR strains to generate flies that have the exact SEL1L genotypes from the screen. The eclosion rates and survival to adulthood was determined in the same manner as the original screen, by dividing the number of NGLY1 knockdown flies by the largest balancer class in its cross [9]. There were significantly increased eclosion rates and survival to adulthood of NGLY1 knockdown flies with the SEL1LS780P/+ and SEL1LΔ806-809/+ genotypes compared to the SEL1L genotype (Fig 1B and S1 Data). The SEL1L genotype had a 45% eclosion rate and survival to adulthood compared to ~70% in the SEL1L+/++/+S780P/+ (p < 0.001) and SEL1LΔ806-809/+ (p < 0.001) genotypes. This result nicely replicates our previous genetic screen that showed increased eclosion rates and survival to adulthood in the DGRP lines with these particular SEL1L variants and suggests that the SEL1LS780P and SEL1LΔ806-809 alleles are protective against NGLY1 deficiency. We also evaluated the lifespan of these surviving NGLY1 knockdown flies, but found no significant differences between the SEL1LS780P/+ and SEL1LΔ806-809/+ and the SEL1L genotype (Fig 1C and S1 Data), suggesting that the interaction occurs during development.+/+


SEL1L variants impact sensitivity to proteasome inhibition in NGLY1 flies+/-

接下来,我们询问了涉及 SEL1L 和 NGLY1 的途径,以了解这些 SEL1L 变体如何预防 NGLY1 缺乏症。NGLY1和SEL1L先前都被鉴定为NRF1的修饰基因,NRF1编码一种重要的转录因子,该转录因子可响应蛋白酶体应激上调蛋白酶体基因[17,18]。NGLY1 在 NRF1 功能中的重要性已得到充分证实。NGLY1突变体的蛋白酶体功能降低,并且由于NRF1未被加工而对蛋白酶体胁迫非常敏感[17,18,24,25]。先前的研究表明,杂合子NGLY1无效幼虫在其他方面是正常的,但对蛋白酶体抑制敏感,导致幼虫大小缺陷[24,25]。尽管 SEL1L 被确定为 NRF1 的遗传修饰因子,但其在 NRF1 信号传导中的作用尚未确定。我们假设这些 SEL1L 变体会影响 NRF1 信号传导并改变 NGLY1 缺陷模型中的表型。


我们使用蛋白酶体抑制剂硼替佐米 (BTZ) 测试了 SEL1L 变体是否影响 NGLY 缺陷果蝇的蛋白酶体敏感性。纯合子 NGLY1 无效果蝇在胚胎上是致命的,但杂合子 NGLY1 无效果蝇在未受到攻击时表型正常。我们使用杂合的NGLY1无效果蝇作为NGLY1缺乏症的模型,因为它们已知对蛋白酶体抑制的敏感性增加[24,25]。由于 NGLY1 无效菌株还携带常见的野生型 S780 等位基因,因此当我们将该菌株与 CRISPR 生成的 SEL1L 变异菌株杂交时,我们会产生与我们在 NGLY1 敲低模型中测试的具有相同 SEL1L 基因型的杂合 NGLY1 无效果蝇:SEL1L、SEL1L+/+S780P/+或 SEL1LΔ806-809/+.


与NGLY1野生型和DMSO处理的杂合NGLY1无效对照相比,杂合NGLY1无效果蝇幼虫在暴露于蛋白酶体抑制时发育较小[24,25]。在之前的研究中,杂合子NGLY1无效幼虫在暴露于5μM BTZ时,明显小于DMSO处理的杂合NGLY1无效幼虫[25]。与DMSO对照相比,我们观察到,与DMSO对照相比,在所有杂合NGLY1无效幼虫中处理5μM硼替佐米的幼虫大小同样明显减少(图2A和S2数据)。SEL1L基因型不影响NGLY1杂合无效幼虫中5μM BTZ诱导的大小缺陷。


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图2. SEL1L 变体影响蛋白酶体抑制敏感性。


(A)用5μM BTZ处理时,NGLY1 + /-幼虫较小,但SEL1L基因型没有影响(幼虫大小对DMSO的影响:SEL1L 23.59 ± 4.97,SEL1L+/+S780P/+19.37 ± 9.16 和 SEL1LΔ806-809/+21.32 ± 6.73。BTZ幼虫大小减小:SEL1L 9.19 ± 1.61,p < 0.0001;SEL1L型+/+S780P/+8.55 ± 2.04,页< 0.0001;和 SEL1LΔ806-809/+10.07 ± 1.14,第 < 0.01 页)。(B)当用1μM BTZ处理时,NGLY1 + /-幼虫显示出SEL1L基因型依赖性大小减小。虽然 SEL1L 在 DMSO (19.65 ± 5.98) 和 BTZ (17.88 ± 4.32) 之间没有变化,但 SEL1L+/+S780P/+(DMSO 21.03 ± 3.42,BTZ 16.45 ± 3.65,p < 0.0001)和 SEL1LΔ806-809/+(DMSO 24.92 ± 3.39,BTZ 20.08 ± 2.69,p = 0.001)与 DMSO 处理的幼虫相比,用 BTZ 处理时基因型更小。(C)无论SEL1L基因型如何,NGLY1 WT幼虫在1μM BTZ处理下均未显示出显着的大小减小(DMSO上的幼虫大小:SEL1L 25.75 ± 6.91,SEL1L+/+S780P/+23.74 ± 6.94 和 SEL1LΔ806-809/+26.42 ± 4.29;BTZ 上的幼虫大小:SEL1L 24.75 ± 5.63、SEL1L+/+S780P/+20.96 ± 7.38 和 SEL1LΔ806-809/+25.70 ± 5.23)。


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.g002


为了确定是否可能有更微妙的影响,我们用较低浓度的 1μM BTZ 处理杂合 NGLY1 无效幼虫。SEL1L幼虫在BTZ和DMSO处理之间没有显著的大小差异。然而,SEL1L+/+S780P/+(p < 0.0001)和SEL1LΔ806-809/+(p = 0.001)与DMSO相比,1μM BTZ处理的幼虫大小显着减小(图2B和S2数据)。这表明携带 SEL1L 的杂合子 NGLY1 无效幼虫的幼虫大小S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+与 SEL1L 相比,基因型对蛋白酶体抑制特别敏感。在NGLY1野生型背景下,不同的SEL1L基因型在1μM BTZ处理下没有幼虫大小变化(图2C和S2数据)。+/+


SEL1L 变体可提高 NGLY1 果蝇响应蛋白酶体抑制的存活率+/-

为了进一步检查 SEL1L 变体对 NRF1 信号传导的影响,我们测试了受 NGLY1 缺乏和蛋白酶体抑制影响的其他表型。当杂合子NGLY1无效幼虫用1μM BTZ处理时,我们观察到SEL1L变体对羽化到成年期的存活率有特异性影响。SEL1LS780P/+和 SEL1LΔ806-809/+幼虫的羽化率和成年存活率分别为83%(P < 0.0001)和96%(P < 0.0001),而SEL1L果蝇的羽化率和成年存活率分别为59%(图3A和S3数据)。用硼替佐米处理的 SEL1L 幼虫表现出高比例的非封闭和部分封闭苍蝇。SEL1L 的改进羽化率+/++/+S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+基因型表明 SEL1L 具有保护作用S780P和 SEL1LΔ806-809幼虫发育过程中针对 NGLY1 缺乏症和蛋白酶体抑制的变体。重要的是,当在 1μM BTZ 上饲养 NGLY1 野生型幼虫时,我们观察到无论 SEL1L 基因型如何,果蝇都没有致死性和接近 100% 羽化,这表明对 BTZ 的致死率是 NGLY1 依赖性的(S1 图和 S3 数据)。SEL1L型S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+基因型几乎完全挽救了由1μM BTZ诱导的杂合子NGLY1无效幼虫致死率。


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图3. SEL1L 变体在蛋白酶体抑制下提高了存活率。


(A)当用1μM BTZ处理时,NGLY1 + /-幼虫在携带SEL1L时以显着更高的速率闭合S780P/+(83%,p < 0.0001)和 SEL1LΔ806-809/+(96%,p < 0.0001)基因型与SEL1L基因型(59%)相比。(B)当用1μM BTZ处理时,成年NGLY1 + /-与SEL1L+/+S780P/+(p < 0.0001)和SEL1LΔ806-809/+(p < 0.0001) 基因型的寿命比 SEL1L 更长。Cox 比例风险回归分析。(C)无论SEL1L基因型如何,用DMSO处理的成年NGLY1 + /-果蝇的存活率均无显著差异。+/+


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.g003


为了了解 SEL1L 变体是否影响成年果蝇的 NRF1 信号传导,我们用硼替佐米或 DMSO 治疗杂合 NGLY1 无效成年果蝇,并观察它们的长期成年存活率。成年苍蝇在幼虫阶段在 DMSO 上饲养,并以 DMSO 或 BTZ 食物维持。与 SEL1L 相比,SEL1L 成年果蝇在 BTZ 上的存活时间显着缩短+/+S780P/+(p < 0.0001)和 SEL1LΔ806-809/+(p < 0.0001)基因型(图3B和S3数据)。硼替佐米处理的SEL1L的生存时间增加S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+基因型表明这些变异在成年期对蛋白酶体抑制具有保护作用。当用DMSO处理时,无论SEL1L变异基因型如何,杂合NGLY1无效成年果蝇在长期生存率方面没有显着差异(图3C和S3数据)。这些实验表明,这些 SEL1L 变体在幼虫发育和成年期都会改变 NGLY1 缺乏症中对蛋白酶体抑制的敏感性。这些SEL1L变体对蛋白酶体敏感性的影响仅在NGLY1功能降低时观察到,表明SEL1L与蛋白酶体应激反应之间的相互作用取决于NGLY1活性的丧失。


SEL1L 变体不影响 NRF1 靶基因的表达

为了响应蛋白酶体抑制,NRF1上调蛋白酶体基因[22]。为了测试 SEL1L 变体果蝇中 NRF1 信号传导的变化,我们检查了几个蛋白酶体亚基基因的表达:prosalpha6、prosalpha3、prosbeta2、prosbeta4 和 prosbeta5。这五个基因是我们之前在NGLY1缺陷果蝇模型中确定为下调的其他蛋白酶体基因之一[7]。我们用 BTZ 处理果蝇以诱导 NRF1 信号传导。当我们比较 NGLY1 野生型和杂合 NGLY1 无效成虫之间蛋白酶体基因在全果蝇中的表达时,我们大多观察到每种条件和 SEL1L 基因型的基因表达没有差异(S2A 图和 S4 数据)。正如预期的那样,我们观察到与 DMSO 相比,处理 BTZ 后蛋白酶体基因表达增加;然而,我们发现 NGLY1 野生型或杂合 NGLY1 无效果蝇的基因表达没有 SEL1L 变体特异性差异(S2B 图和 S4 数据)。虽然根据我们之前提供的表型数据,这是出乎意料的,但当我们检查整个果蝇的表达时,可能会遗漏不同组织的特定影响。迄今为止,尚不清楚哪些组织导致 NGLY1 缺乏果蝇的致死率,需要更多的工作来确定哪些组织受蛋白酶体抑制的影响最大。


SEL1L型S780P和 SEL1LΔ806-809变体增强了 ER 应力模型中的 ERAD

SEL1L是Hrd1 ERAD复合物的组成部分,可逆转易从内质网腔中逆向转位错误折叠的蛋白质,并使其泛素化以供蛋白酶体降解[10,13,15]。尽管NGLY1在ERAD中的作用尚不清楚,但NGLY1已被证明与ERAD复合物中的蛋白质发生物理相互作用,包括Derlin-1和VCP[26,27]。NGLY1对ERAD底物的去糖基化被认为可以制备错误折叠的糖蛋白以进行蛋白酶体降解[5,28,29]。


我们将 ER 应激的果蝇眼模型与 SEL1L 菌株进行了杂交,以确定变体对 ERAD 的特异性影响。在这个模型中,转基因携带一种眼睛特异性 GAL4 (GMR-GAL4),该 GAL4 驱动突变体错误折叠视紫红质蛋白(由 UAS-Rh1 编码)的过表达G69D)在发育中的幼虫眼盘中组成性地错误折叠并诱导变性[30\u201233]。错误折叠的视紫红质蛋白会导致眼盘慢性内质网应激、细胞死亡和成年苍蝇的粗糙眼表型。这些眼睛也比野生型眼睛小得多。该模型对ERAD功能的变化敏感,ERAD功能的增加可以防止眼睛退化[30]。在幼虫眼盘中,过度表达Hrd1(将错误折叠的蛋白质转运出内质网所必需的ERAD蛋白)几乎完全恢复了眼睛的正常外观[30]。增加 Hrd1 水平可增强 ERAD,有助于清除错误折叠的视紫红质,从而防止 ER 应激并防止退化。相反,该模型中ERAD成分的敲低会导致眼睛退化加剧[30]。由于 SEL1L 是 Hrd1 ERAD 复合物的组成部分,因此修饰 SEL1L 应该类似地影响 ER 应激眼模型中的表型。


我们假设失去 SEL1L 会降低 ERAD 并增强眼睛变性表型,从而导致眼睛尺寸变小。我们在眼盘中表达SEL1L RNAi,以在内质网应激模型(和NGLY1野生型)中敲低SEL1L,并观察到眼睛明显小于未敲低SEL1L的果蝇(p = 0.0016)(图4A和S5数据)。鉴于 SEL1L 在 ERAD 功能中的既定作用,预计在 SEL1L 敲低后该模型中观察到的眼睛尺寸会减小。接下来,我们将不同的SEL1L变体杂交到该模型(和NGLY1野生型)上,以研究它们对眼睛大小的影响。由于 ER 应激模型菌株携带常见的 SEL1L 野生型等位基因,因此将我们的 SEL1L 变体杂交到该模型上提供了与前面描述的相同的 SEL1L 基因型。我们观察到 SEL1L 的眼睛尺寸增加S780P/+(p < 0.0001)和SEL1LΔ806-809/+(p < 0.0001)基因型与SEL1L果蝇相比(图4B和S5数据),与我们在RNAi敲低实验中观察到的情况相反。鉴于先前的研究表明 ERAD 功能的改善会增加眼睛大小,这一结果表明 SEL1L+/+S780P和 SEL1LΔ806-809在 NGLY1 野生型背景下,等位基因可能通过增强 ERAD 功能提高对 ERAD 应激的抵抗力。


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蒂夫原图

图4. SEL1L 变体以 NGLY1 依赖性方式增强对内质网应激的抵抗力。


为了诱导 ER 应激并测试 ERAD,我们表达了 Rh1G69D在GMR-GAL4的控制下。Rh1G69D是一种错误折叠的视紫红质蛋白。“错误折叠的蛋白质”标记是指 Rh1 的表达G69D.(A) SEL1L 的敲低减小了表达 Rh1 的 ER 应激模型中的眼睛大小G69D在眼睛里。对照蝇是 SEL1L 的野生型。(对照的眼睛大小 12.38 ± 0.93,SEL1L RNAi 10.93 ± 0.65,p = 0.0016)。(B)在内质网胁迫模型中,具有NGLY1野生型背景,SEL1LS780P/+(9.13 ± 0.49,p < 0.0001)和 SEL1LΔ806-809/+(9.29 ± 0.69,p < 0.0001)与 SEL1L 基因型相比,眼睛大小显着增加 (8.36 ± 0.33)。(C) Rh1 中 NGLY1 的眼特异性敲低+/+G69DER 应力模型导致 SEL1L 和 SEL1L 之间的眼睛大小没有差异+/+S780P/+基因。SEL1LΔ806-809/+基因型显示眼睛大小明显较小 (p < 0.05)。(眼睛尺寸:SEL1L 12.60 ± 0.50、SEL1L+/+S780P/+12.34 ± 0.89 和 SEL1LΔ806-809/+12.16 ± 0.65)。(D) Rh1 中 NGLY1 的杂合丢失G69DER 应力模型导致 SEL1L 和 SEL1L 之间的眼睛大小没有差异+/+S780P/+基因。SEL1LΔ806-809/+基因型显示眼睛大小明显较小 (p < 0.0001)。(眼睛尺寸:SEL1L 10.58 ± 0.76、SEL1L+/+S780P/+10.88 ± 0.61 和 SEL1LΔ806-809/+8.67 ± 0.54)。


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.g004


接下来,我们测试了 SEL1L 是否仍然改进了 ERADS780P和 SEL1LΔ806-809NGLY1 活性降低时的等位基因。当我们敲低该 ER 应力模型的眼中的 NGLY1 时,SEL1L 中的眼睛大小不再增加S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+基因型与SEL1L的比较(图4C和S5数据)。该结果表明,与 SEL1L 相关的 ERAD 改善+/+S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+基因型取决于 NGLY1 活性。杂合的NGLY1无效果蝇在SEL1L中的ERAD也没有改善S780P/+和 SEL1LΔ806-809/+基因型与SEL1L基因型的比较(图4D和S5数据)。有趣的是,随着 NGLY1 的丢失,SEL1L+/+Δ806-809/+在NGLY1敲低(p < 0.05)和杂合子NGLY1无效(p < 0.0001)中,基因型的眼睛都比SEL1L基因型小。值得注意的是,我们之前的工作表明,在这种内质网应激模型中,单独的NGLY1敲低不会改变眼睛的大小[7]。我们得出结论,SEL1L 变体仅在存在野生型 NGLY1 活性时才能提高对 ER 应激的抵抗力,这表明 NGLY1 需要介导 ERAD 依赖性或相关保护机制。在NGLY1缺失或减少的情况下,SEL1L变体不会增加该模型中的ERAD。虽然这些变异改善了眼睛模型中的 ER 应激反应,但它们对 NGLY1 缺乏下整个生物体存活的影响可能反映了 ERAD 以外的其他机制,例如改变对 NRF1 等特定底物的处理。+/+


讨论

在这项研究中,我们试图了解果蝇遗传筛选中鉴定的天然 SEL1L 蛋白编码变体如何影响 NGLY1 缺乏致死率和其他表型。我们的结果表明,这些 SEL1L 变体提高了我们的 NGLY1 缺陷模型的存活率,并在幼虫发育和成年期防止蛋白酶体抑制,尽管它们不能减轻 BTZ 处理诱导的幼虫尺寸减小。虽然这些表型与增强的 NRF1 活性一致,但 NRF1 参与的直接证据仍然有限。从全身RNA测量的蛋白酶体亚基基因表达表明,规范的NRF1介导的反弹反应在杂合NGLY1无效动物中基本完整,不受SEL1L变体的影响。然而,没有评估蛋白酶体基因在特定组织和不同发育窗口的表达变化。此外,我们的SEL1L变体(图2B)中对低剂量硼替佐米的敏感性增加可能反映了NRF1信号传导之外对蛋白质毒性或内质网应激反应的改变。其他途径,如未折叠蛋白反应(UPR)[34]、综合应激反应(ISR)[35]或自噬[36],可能有助于观察到的表型。鉴于SEL1L在ERAD中的核心作用,特定ERAD底物的清除增强也有可能间接影响应激敏感性或蛋白质稳态[10]。虽然 NRF1 仍然是一个引人注目的候选者,但我们的数据并不排除其他应激反应机制的贡献。需要进一步的研究来确定 SEL1L 变体对 NGLY 缺乏症的具体下游影响。


我们的 ER 应激模型的结果表明,这些 SEL1L 变体赋予 ER 应激保护的能力可能涉及增强的 ERAD 功能并需要 NGLY1 活性。在我们的 ER 应激眼模型中,仅在野生型 NGLY1 存在的情况下观察到 SEL1L 变异对眼睛大小的影响。当NGLY1通过敲低或杂合NGLY1无效减少时,与SEL1L相关的眼睛大小改善S780P和 SEL1LΔ806–809等位基因丢失,表明这些变体增强 ERAD 需要 NGLY1 活性。虽然ERAD是与NRF1信号转导不同的通路,但这些通路有着千丝万缕的联系[17\u201219,21]。我们提出,我们的 SEL1L 变体可以提高 ERAD 效率,从而增加逆向易位到细胞质并可用于激活的 NRF1 的量。在杂合 NGLY1 无效动物中,仍有一些 NGLY1 活性,这可能允许更有效的 NRF1 激活和改善蛋白酶体功能。然而,最近的研究结果表明,在完全没有NGLY1的情况下,NRF1不仅没有活性,而且可能被转移到非典型泛素化途径,从而加剧蛋白酶体功能障碍[37,38]。因此,我们观察到的 SEL1L 变体的保护作用可能取决于残留的 NGLY1 活性,并且可能无法推广到完全 NGLY1 丢失的模型。虽然我们的数据与 SEL1L 变体存在下增强的 NRF1 激活一致,但我们没有直接测量 NRF1 加工和核定位。因此,NRF1的参与是基于先前文献的假设,而不是本研究直接证明的结论。


除了NRF1之外,最近的研究表明,需要NGLY1来去糖基化错误折叠的BMP4,促进其从内质网中去除,并允许正确折叠的BMP4二聚化并参与典型信号传导[39]。BMP4是正确发育时机所必需的,因此其信号传导的损伤可能会影响幼虫的大小和生长[40]。我们之前的研究也表明,Ncc69/NKCC1的正确折叠和功能需要NGLY1去糖基化[9]。在这些情况下,错误折叠的 NGLY1 客户端的清除受损可以解释一些表型,而增强的 ERAD 可能会通过清除错误折叠的错误糖基化蛋白质来恢复蛋白质稳态。探索这些替代机制对于充分理解 SEL1L 与 NGLY1 的遗传相互作用非常重要。


在我们的基因筛选中鉴定的 SEL1L 变体位于蛋白质的 C 端细胞质尾部。虽然该区域在物种之间保守程度不高,但据预测,在所有物种中,它都是一个本质上无序的结构域[41]。内在无序结构域通常介导瞬时或多价蛋白质-蛋白质相互作用,并可能有助于动态复合物的形成[42\u201244]。鉴于 SEL1L 在 ERAD 中的保守作用,这些变异可能会影响对 ERAD 功能很重要的蛋白质-蛋白质相互作用,并且确定哺乳动物 SEL1L 细胞质尾部的类似改变是否影响 ER 稳态或调节与 NGLY1 缺乏相关的表型非常重要。哺乳动物的功能研究可以更深入地了解 SEL1L 的这一特征不佳的结构域,并为潜在的治疗靶向提供信息。


这项研究表明,这些天然存在的 SEL1L 变体可以增强 ERAD 并减轻与 NGLY1 缺乏相关的特定表型。这提出了一个有趣的可能性,即调节 SEL1L 活性或 ERAD 效率可以为这种疾病提供治疗角度。然而,需要进一步的工作来确定这些影响是否转化为哺乳动物系统,以及靶向 ERAD 成分是否会改善蛋白质稳态。测试哺乳动物 SEL1L 的修饰如何改变 NRF1 加工或影响其他应激反应途径也很有趣。最终,来自跨物种建模的见解将有助于揭示是否可以利用改变 ERAD 功能来改善 NGLY1 缺乏症的疾病表型。


我们的研究结果表明,ERAD 和蛋白酶体功能是 NGLY1 缺乏症患者的潜在治疗靶点。虽然目前尚无针对NGLY1缺陷患者的治疗方法,但目前有两项临床试验正在进行中,包括一项脑室内NGLY1基因替代疗法[45]和一项治疗ALACRIMA的GlcNAc补充试验[46]。需要进一步研究来研究增强ERAD如何影响已经患有蛋白酶体功能障碍的NGLY1缺乏症患者的蛋白酶体反弹反应[37]。目前大多数靶向ERAD的治疗方法旨在降低其功能[47\u201249];然而,通过增加ERAD复合蛋白的表达,在细胞和动物模型中增强ERAD是可能的[49,50]。除了SEL1L,我们之前的修饰筛选还鉴定出其他参与ERAD或ER功能的基因,包括TMEM259、TMTC2和ERMP1[9]。有趣的是,对于TMTC2和ERMP1,我们的GWAS独立地击中了这些基因的两个独立的果蝇直系同源物[9]。ERAD 成分是 NGLY1 缺陷患者修饰基因的有力候选者,可能是进一步开发的良好药物靶点。


方法

飞股票和维护

在标准琼脂-葡萄糖-酵母培养基和标准 Archon Scientific 葡萄糖苍蝇食品上保持库存,温度为 25°C,光/暗循环为 12 小时。SEL1L型CRISPR 菌株由 WellGenetics, Inc (www.wellgenetics.com) 创建,并通过 Sanger 测序验证等位基因(S3 图)。以下库存是从布卢明顿果蝇种群中心(印第安纳州布卢明顿)获得的:微管蛋白-GAL4 (BDSC #5138)、UAS-pngl-RNAi (BDSC #54853)、attp2 (BDSC #36303) 和 attp40 (BDSC #36304)。微管蛋白-GAL80 菌株由 Carl Thummel 博士(犹他大学)提供。SEL1L-RNAi菌株(v1161)来自维也纳果蝇资源中心[51]。NGLY1无效等位基因在NGLY1基因中携带一个早期终止密码子,并且之前由Perlara, PBC进行了表征和慷慨提供[24,25]。NGLY1 无效等位基因是纯合致死的,储备用 CyO 平衡器维持。


“内质网应激模型”在第二条染色体上包含GMR-GAL4和UAS-Rh1G69D,并且之前已经描述过[31\u201233252]。该菌株中的内源性 SEL1L 是 SEL1L 的纯合子S780P等位基因。我们回交了 SEL1LS780型来自我们 CRISPR 产生的 SEL1L 的等位基因S780型应变到 ER 应力模型中 20 代,以创建所需的纯合 SEL1LS780型基因型和通过测序验证的基因型。


蛋白酶体敏感性幼虫大小测定

如前所述,进行蛋白酶体敏感性幼虫大小测定[25]。在添加DMSO或硼替佐米之前,将标准果蝇食品融化并冷却至60°C。NGLY1 雌性与 CRISPR SEL1L 变异菌株的雄性预交配 24 小时。交配的雌性被放置在含有 DMSO 的食物上,并让其产卵约 8 小时。去除成年苍蝇,经过四天的发育,3+/-RD将龄幼虫转移到装有DMSO或硼替佐米食物的小瓶中。服用含硼替佐米的食物两天后,使用 GFP 的存在对幼虫进行基因分型。CyO 平衡器还带有 GFP 标记。通过检查幼虫是否也是 GFP 阴性,确认幼虫缺乏平衡染色体。使用徕卡EC3相机以2.5倍放大倍率对幼虫进行成像。如前所述,使用ImageJ量化幼虫大小[24,25]。


生存测定

NGLY1敲低(KD)羽化存活率:将CRISPR SEL1L变异株的处女雌性喂食酵母过夜,然后与供体菌株UAS-NGLY1RNAi/Cyo,微管蛋白-GAL80的雄性杂交;收集微管蛋白-GAL4/TM3,Sb.后代,对CyO、Sb、双平衡或无平衡类4个平衡子进行评分,其中无平衡蝇为NGLY1 KD。该杂交应产生四种基因型的预期 1:1:1:1 比例。鉴于每个平衡器的致死率总是非常低,最大的平衡器类别被认为是最接近预期数量的。我们每次传球至少得分 200 只苍蝇。男性和女性被合并进行一次计数。如前所述,通过生成NGLY1敲低/最大平衡器类的比率来计算NGLY1 KD苍蝇的比例[9]。为了长期生存,收集苍蝇,放入小瓶中,每 2-3 天翻面放入新鲜食物中。寿命以羽化后的天数来衡量。每天检查小瓶是否有死苍蝇并记录。


眼睛成像和定量

在CO2麻醉下收集3-5天大的成年雌性苍蝇,然后在-80°C下冷冻以备后期成像。使用徕卡EC3相机以3倍放大倍率对眼睛进行成像。如前所述测量眼部区域[31\u201233,53]。


蛋白酶体基因RT-qPCR

使用 RT-qPCR 测量蛋白酶体亚基基因表达的变化。如前所述,杂交具有适当 SEL1L 和 NGLY1 基因型的果蝇。羽化后24小时,收集雄性果蝇并将其置于0.2%DMSO或3μM BTZ上12小时或24小时。药物治疗后,立即使用 Direct-zol RNA Miniprep (Zymo Research R2061) 使用 TRIzol 试剂 (ThermoFisher Cat # 15596026) 并包括 DNAse 步骤从 8-10 只全身果蝇中提取 RNA。使用 ProtoScript II 第一链 cDNA 合成试剂盒 (NEB Cat # E6560L) 将 RNA 转化为 cDNA。使用 QuantStudio 3 96 孔 0.2 ml 模块仪器和 PowerUp SYBR Green 预混液 (ThermoFisher Cat #A25741) 进行 RT-qPCR。如果可用,我们使用了位于 http://www.flyrnai.org/flyprimerbank 的FlyPrimerBank [54]的引物。其他引物是使用位于 www.primer3plus.com 的Primer3Plus [55]设计的。S4 数据中列出的所有引物序列。在比较NGLY1野生型和NGLY1无效果蝇的蛋白酶体基因表达时,计算了相对于每种药物治疗的NGLY1野生型和SEL1L基因型的基因表达。在与BTZ处理的蛋白酶体基因表达变化比较中,计算了所有SEL1L基因型相对于DMSO处理的SEL1L基因型的基因表达。+/+


支持信息

野生型NGLY1幼虫不受蛋白酶体抑制的影响。


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S1 图。 野生型NGLY1幼虫不受蛋白酶体抑制的影响。

无论SEL1L基因型如何,NGLY1 WT幼虫以相似的速率作为成虫进行1μM BTZ处理。


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s001


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S2 图。 蛋白酶体基因表达响应 BTZ 而变化。

(A)显示了每种药物治疗相对于NGLY1野生型的基因表达。NGLY1 WT 和 NGLY1 + /- 果蝇之间的相对蛋白酶体基因表达没有观察到差异。顶部:prosalpha6;底部:prosbeta5。(B)与DMSO处理相比,BTZ处理的蛋白酶体基因表达增加。所有值均显示相对于“SEL1L DMSO”蛋白酶体基因表达水平。顶部:prosalpha6;底部:prosbeta5。(**) p < 0.01,(*) p < 0.05。+/+


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s002


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S3 图。 CRISPR蝇系的测序证实了适当的SEL1L变体。

采用3株SEL1L CRISPR菌株的Sanger测序验证SEL1L等位基因。(A)顶部色谱仪是SEL1L野生型等位基因,底部是SEL1LS780P等位基因。蓝色和红色框显示了 SEL1L 中更改的底座S780P变异等位基因。(B)顶部色谱仪显示未受扰动的SEL1L基因。该框表示被删除的碱基,导致氨基酸 806-809 的破坏。底部色谱仪上的三角形显示了SEL1L中发生缺失的位置Δ806-809等位基因。


https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s003


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S1 数据。 NGLY1 无处不在的击倒苍蝇计数和长期存活率。

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s004


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S2 数据。 幼虫大小测定测量。

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s005


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S3 数据。 BTZ 和存活数据上羽化的苍蝇计数。

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S4 数据。 qPCR 结果和使用的引物。

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s007


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S5 数据。 使用 ER 应力模型进行飞眼测量。

https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1011823.s008


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