G-四链体 RNA 氧化对其构象动力学及与 ALS 相关蛋白 TDP-43 相互作用的影响

这对神经健康为何重要

肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种致命疾病，控制运动的神经细胞会逐渐死亡，但这种选择性损伤的根源仍然扑朔迷离。本研究提出了一个简单却重要的问题：随着年龄增长和细胞经历更多“锈蚀式”的化学损伤，作为基因工作副本的 RNA 的这种磨损是否会干扰维持运动神经元存活的关键信号？通过聚焦一种特殊的折叠 RNA 结构及与 ALS 相关的关键蛋白 TDP-43，研究揭示了微小的化学损伤如何可能为疾病的发展铺路。

处于运动神经元核心的脆弱 RNA 结

运动神经元依赖沿轴突长距离运输的 RNA 信息，使蛋白能在轴突末端、靠近与肌肉的连接处就地合成。许多这些信息携带一种由鸟嘌呤序列构成的特殊结构性“结”，称为 G-四链体。诸如 TDP-43 等蛋白识别该结构并将 RNA 挂载到沿轴突移动的运输颗粒上。问题在于，当细胞受到反应性氧种的应激时，鸟嘌呤是最容易被氧化的碱基，而反应性氧种会随年龄积累。早期线索表明 G-四链体和 TDP-43 在 ALS 中处于核心地位，但此前尚不清楚这些 RNA 结的氧化会如何具体干扰它们的互作。

观察氧化应激如何扭曲 RNA 形态

研究者首先用过氧化氢（一种常见的氧化试剂）处理人神经母细胞瘤细胞，然后检查 G-四链体结构的状态。来自对 G-四链体敏感探针的信号随着氧化应激的增加而减弱，表明这些紧凑的 RNA 结丧失了正常构象。为厘清化学本质，团队随后合成了能形成 G-四链体的人工 RNA，并在其中有意掺入不同含量的 8-氧鸟嘌呤（8-oxoG），这是一种在衰老神经元和 ALS 组织中常见的氧化鸟嘌呤形式。通过一系列生物物理手段，他们表明即使是适度水平的这种修饰也会松动 G-四链体的有序堆叠，尽管具体结果取决于周围的 RNA 序列。

新问题：碱基错配与链间错配

更深入的分析揭示了两类不同的结构问题。在来自 PSD-95 信息的一个 G-四链体中，被氧化的鸟嘌呤倾向于与附近的腺嘌呤不恰当地配对，形成细微扭曲折叠的“错配”。这些错配在中等氧化水平下最容易出现，此时 RNA 仍能短暂组装成将错误伙伴带到一起的 G-四链体。在另一个来自 CaMKIIα 信息的 G-四链体中，强烈氧化使通常的分子内结极度不稳定，剩余未被破坏的鸟嘌呤会寻找其他 RNA 链上的配对伙伴，促成异常的分子间 G-四链体。这类错误连接的结构可能会将不同的 RNA 纠缠在一起，干扰神经元内正常的 RNA 运输。

当受损 RNA 失去其蛋白伙伴时

研究随后探讨了这些扭曲的结如何与 TDP-43 相互作用。通过基于凝胶的结合测定，研究者展示了 TDP-43 强烈偏好完整、平行的 G-四链体，且随着被氧化碱基增多其结合能力逐渐下降。CaMKIIα 结构本就紧密，尤其敏感：即便低水平的氧化也几乎消除了 TDP-43 的结合。另一种亦与 ALS 相关的蛋白 FUS 也显示出类似但轻微不那么严重的亲和力下降，表明氧化普遍削弱了 G-四链体结合蛋白的识别能力。有趣的是，当 TDP-43 与轻度氧化的 RNA 混合时，证据显示该蛋白与 G-四链体的一种不稳定中间构象相互作用，而不是与完全折叠的结结合，这暗示了稳定化与解体之间的动态拉锯。

ALS 相关突变蛋白更易受损

研究还检测了十种在 ALS 患者中发现的 TDP-43 变体，大多数带有位于柔性富甘氨酸尾部的改变，该尾部微调对 RNA 的识别。所有这些突变体对正常 G-四链体的结合能力均低于野生型蛋白。当将氧化的 G-四链体 RNA 作为竞争者引入时，这些突变体识别并结合受损结构的能力比正常蛋白更差。位于特别无序易变区域的某些变体受影响最为严重。这提示在携带此类突变的老年个体中可能存在双重打击：不仅其 TDP-43 本身效能较低，年龄相关的 RNA 氧化还进一步削弱其护送关键信使沿运动神经元轴突运输的能力。

这对理解 ALS 有何意义

简而言之，这项研究表明，随年龄驱动的化学损伤会重塑引导运动神经元内信息运输的脆弱 RNA 结，而这些变形的结不再与 TDP-43 或相关蛋白良好合作。结果是错误定向或停滞的 RNA 货物概率增加，恰恰发生在维持肌肉控制所依赖的又长又脆弱的轴突内。对于那些还遗传有 TDP-43 突变的人，氧化引起的 RNA–蛋白相互作用减弱可能会使本已承压的神经元更加接近失效。通过阐明这一从氧化应激到改变的 RNA 架构再到运输受损的细微但强有力的连锁反应，这项工作将 G-四链体 RNA 氧化突显为连接衰老与 ALS 的有希望的分子环节，并可能成为未来保护性疗法的潜在靶点。

引用: Ishiguro, A. Impact of G-quadruplex RNA oxidation on its conformational dynamics and interaction with ALS-associated TDP-43. Sci Rep 16, 8802 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39767-y

关键词: 肌萎缩侧索硬化症, RNA 氧化, G-四链体, TDP-43, 运动神经元退化