自闭症相关突变对蛋白质运动的影响

DNA 复制和转录过程可能会在 DNA 结构中引入扭转(或扭转)应变。这些拓扑问题通过一系列反应被称为拓扑异构酶 II (TOP2) 的酶缓解。TOP2 是这方面的一种重要酶，具有进化上保守的结构，包括 N 末端 ATP 酶结构域、催化核心和 C 末端结构域。值得注意的是，人类有两种 TOP2——TOP2A(对细胞分裂过程至关重要)和 TOP2B(在神经元增殖和基因表达中起重要作用)。

之前的一系列研究表明，TOP2B 催化结构域中的错义突变会导致有害后果。最近，在患有自闭症谱系障碍和全面发育迟缓的患者中，在 TOP2B 的 ATPase 结构域中发现了杂合种系突变(即生殖细胞中的基因突变后来反映在后代的每个细胞中)。在该突变中，组氨酸在第58位被酪氨酸取代，因此称为H58Y(以下简称TOP2B H58Y)取代。有趣的是，这种突变不会导致 TOP2B 发生广泛的结构变化。因此，研究人员推测它会导致与 TOP2B 的催化活性无关的功能变化。

为了更好地理解H58Y突变的生物学意义，日本熊本大学Ken-ichi Yano教授领导的研究小组进行了一系列综合实验。他们的结果发表在 2022 年 11 月 30 日的《科学报告》第 12 卷上。Yano 教授在解释这项研究的动机时说：“基因组分析的最新进展揭示了许多与疾病相关的基因突变。然而，尽管取得了这些进步，这些突变对蛋白质的影响仍然未知。这项研究提供了一个例子，说明突变如何影响细胞中的蛋白质行为。”

光漂白后的荧光恢复 (FRAP) 是一种监测细胞内分子运动的方法。使用 FRAP 分析，该团队比较了野生型 TOP2B (TOP2B WT) 与 TOP2B H58Y 的核动力学。流动性是核蛋白的一个重要特征，对于执行各种生物学功能至关重要。有趣的是，与 TOP2B WT 相比，TOP2B H58Y 的移动性明显较低。

TOP2B H58Y 的迁移率降低进一步通过其对 TOP2 抑制剂 ICRF-187 的不敏感性得到证实，ICRF-187 通过将其夹在 DNA 上来降低 TOP2 迁移率。尽管 TOP2B H58Y 对 ICRF-187 没有反应，但它对抑制增殖的 TOP2 毒物依托苷的反应与 TOP2B 相似。这一结果表明突变酶保留了它的一些催化潜力。

该团队的实验还揭示了低蛋白质迁移率的潜在机制。他们发现影响 ATP 与 TOP2B 结合的 G180I 可以恢复 TOP2B H58Y 的流动性。因此，这些结果表明 TOP2B H58Y 的受限运动是由 ATP 酶活性介导的。

这些实验揭示了一个罕见的例子，说明疾病相关突变如何改变核动力学，从而提供了一个平台来理解此类突变的生物学相关性。有必要进行进一步的实验，以深入了解突变蛋白移动性降低的功能影响以及自闭症的分子过程。Yano 教授对他们的结果的重要性持乐观态度，他总结说这些实验“可以成为理解自闭症病因的重要线索。”