NC | Polysome profiling应用：E4F1确保大脑发育过程中翻译准确性的机制

导读

Leigh氏综合征（LS）是一种罕见的先天性神经退行性脑病，由丙酮酸代谢或电子传递链（ETC）中的线粒体功能障碍引起，表现为慢性乳酸血症和基底神经节及脑干的坏死性病变，患者常伴发肌张力低下、发育迟缓及早逝。目前尚无有效治疗，但生酮饮食或二氯乙酸（DCA）可改善部分症状。

研究发现，E4F1蛋白失调与丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）缺乏症及Leigh氏综合征相关。E4F1是PDC复合体的重要调控因子，可调控DLAT、DLD等基因的表达。

意大利一家庭中患有类似LS症状的患者被发现携带E4F1K144Q纯合突变，证实E4F1在丙酮酸代谢中的关键作用。

E4F1缺失的小鼠表现出PDH活性降低及乳酸血症，但其神经病变或许特异于中枢神经系统（CNS）。

2025年1月2日，法国蒙彼利埃大学Laurent Le Cam团队在Nature Communications上发表了一篇题为“E4F1 coordinates pyruvate metabolism and the activity of the elongator complex to ensure translation fidelity during brain development”的论文，发现胚胎发育过程中E4F1功能的扰动导致严重的脑缺陷和小头畸形，与tRNA U₃₄修饰缺陷、翻译异常及综合应激反应 (ISR) 诱导的神经元细胞死亡相关，揭示了丙酮酸代谢与表观转录组之间的联系对中枢神经系统蛋白组稳态的重要性。

文章索引

【IF】14.7

研究结果

一. E4F1在神经发育中发挥关键作用

E4F1缺失的小鼠表现围产期死亡、小头畸形及脑组织退化。

研究发现，E4F1缺乏导致神经元增殖减少、凋亡增加，进而引发脑发育缺陷，表明E4F1对神经元增殖和存活至关重要。

二. 中枢神经系统中E4F1核心转录程序的识别

E4F1缺失小鼠脑组织RNA-seq显示185个基因差异表达，E4F1核心转录程序下调，并激活整合应激反应（ISR），表明其对神经发生的重要调控作用。

三.  E4F1调控中枢神经系统中的PDC复合体及丙酮酸代谢

E4f1缺失导致PDC复合体关键亚基Dlat、Dld、Mpc1、Pdpr和Slc25a19表达降低，PDH活性和AcCoA减少，乳酸水平升高，MCT4上调，表明糖酵解向乳酸转向，类似LS患者的代谢变化。

四. E4f1在中枢神经系统中调控延伸复合体和U₃₄密码子偏好翻译

E4F1缺失的脑中，Elp3基因表达显著降低，Elp3是延伸复合体的催化亚单位，参与神经发生的调控。

进一步的实验表明，E4F1直接调控Elp3基因的转录，并通过与延伸复合体相关的RNA修饰影响tRNA的乙酰化。

Polysome profiling多聚核糖体分析显示E4F1缺失导致E14.5 E4f1（Nes）KO小鼠脑中部分tRNA的U₃₄修饰减少，进而影响依赖这些tRNA的翻译过程。

此外，E4F1缺失还与tRNA的U₃₄修饰相关的密码子偏好翻译缺陷相关，进而影响特定蛋白的合成。

五. E4F1缺失触发内源性应激反应，导致神经元细胞死亡

E4F1缺失触发ATF4驱动的内源性应激反应（ISR），通过激活eIF2a磷酸化，增加ISR基因的表达，导致神经元细胞死亡。

尽管使用ISR抑制剂ISRIB可以减少细胞死亡标志物，但无法挽救E4F1缺失小鼠的出生后致死。

六. E4F1协调PDC产生的丙酮酸衍生AcCoA与tRNA U₃₄的乙酰化

E4F1调控丙酮酸衍生的乙酰辅酶A（AcCoA）的生成，并通过延伸复合物促进tRNA U₃₄的乙酰化，确保翻译准确性。

E4F1缺失会导致Dlat、Elp3表达下降及tRNA乙酰化减少。稳定同位素追踪实验表明，丙酮酸衍生的AcCoA是延伸体介导tRNA乙酰化的重要辅因子。

七. PDH缺乏影响ELP3表达

通过shRNA敲低PDHA1，发现MEFs中ELP3蛋白水平下降，但mRNA水平不变。

LS患者的皮肤成纤维细胞也显示ELP3蛋白减少，补充野生型PDHA1可恢复ELP3蛋白水平，证明PDC与ELP3表达紧密协调。

总结

本研究发现转录因子E4F1在小鼠胚胎发育中协调丙酮酸脱氢酶复合体（PDC）生成乙酰辅酶A（AcCoA），并促进延伸复合体利用AcCoA乙酰化tRNA，确保翻译准确性和神经细胞存活。

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