發布時間：2023-01-07
2023年1月6日，《PNAS》期刊在線發表了題為《DNA topoisomerase 2-associated proteins PATL1 and PATL2 regulate the biogenesis of hERG K+ channels》的研究論文，該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）蔡時青研究組完成。研究人員利用秀麗隱桿線蟲的遺傳學優勢，通過正向遺傳學篩選鑒定hERG通道生成（Biogenesis）的調控因子，發現DNA拓撲異構酶2相關蛋白PATL1和PATL2調控hERG通道基因的轉錄。
人類 ether-a-go-go相關基因（human ether-a-go-go related gene）編碼一種內向整流電壓門控型的鉀離子通道（簡稱hERG），該通道分布較為廣泛，在心臟和神經系統中發揮著重要的生理功能。hERG通道的生成過程，包括轉錄、轉錄后、翻譯和翻譯后修飾等過程都受到精確調控，如果這些調控機制出現偏差，導致細胞膜上的hERG通道過多或過少都會導致一些嚴重的人類疾病，例如2型長QT綜合征、精神分裂癥和癌癥等。因此，解析hERG通道生物生成的分子機制可以為理解與hERG通道功能障礙相關的人類疾病的病理學提供新的線索。
線蟲的UNC-103鉀通道與hERG通道高度同源，參與調控線蟲的運動和產卵等行為。研究人員利用表達UNC-103的線蟲進行正向遺傳學篩選，發現線蟲DNA拓撲異構酶2相關蛋白PATR-1調控UNC-103通道生成。
圖1. A，篩選UNC-103通道生成調控基因的策略。B，線蟲DNA拓撲異構酶2相關--蛋白PATR-1調控UNC-103通道生成。
隨后，研究人員探究了人源DNA拓撲異構酶2相關蛋白（PATL1和PATL2）是否調控hERG通道的功能。在人神經母細胞瘤細胞和人誘導多能干細胞衍生的心肌細胞（hiPSC-CMs）中，利用小干擾RNA下調PATL1和PATL2功能顯著降低了內源hERG通道蛋白的表達水平和鉀電流密度（圖2A和B）。下調PATL1和PATL2表達還延長了hiPSC-CMs動作電位的時程，提示PATL1和PATL2可能影響心肌細胞的電生理特征（圖2C）。通過雙熒光素酶報告基因檢測系統分析，發現PATL1和PATL2影響hERG mRNA的合成（圖3）。
圖2. 人類DNA拓撲異構酶2相關蛋白調控hERG通道生成。
圖3. 人類的DNA拓撲異構酶2相關蛋白影響hERG通道mRNA的轉錄。
一般認為PATL1和PATL2作為脫帽激活因子促進mRNA降解以及作為翻譯抑制子抑制翻譯，而該研究發現人類的DNA拓撲異構酶2相關蛋白PATL1和PATL2是新的hERG通道生成調控因子，調控hERG通道基因的轉錄，揭示了其調控基因表達的新機制，擴寬了對在轉錄水平調控hERG通道生成的理解。
該研究工作在中科院腦智卓越中心蔡時青研究員的指導下,主要由博士后堯麗完成，中科院腦智卓越中心的博士研究生葉士偉和研究助理阮美煜對課題做出了重要貢獻。該研究得到了中科院腦智卓越中心分子細胞技術平臺和光學成像平臺的大力支持，得到了科技部、中國科學院、國家自然基金委員會和上海市的資助。
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