艾锐Polar-SIM助力科学家揭示β-螺旋蛋白相关性神经变性病的发病机制

研究背景

β螺旋桨蛋白相关神经变性（BPAN）是一种由WDR45基因变异引起的X染色体连锁神经退行性疾病，传统上认为其主要源于自噬通路功能障碍。然而新证据揭示该理论存在显著矛盾——部分患者自噬功能正常仍出现典型神经退行症状，且WDR45蛋白被证实参与铁死亡抑制、内质网稳态调控等非自噬过程。更关键的是，应激颗粒（SG）的异常滞留已被证实与多种脑病相关，但SG分解的核心分子机制长期未知，这为BPAN的致病通路探索提供了全新方向。

助力研究

近日，北京大学基础医学院张培培课题组在国际顶尖期刊 Nature Communications 上发表了题为“β-propeller protein-associated neurodegeneration protein WDR45 regulates stress granule disassembly via phase separation with Caprin-1”的研究论文。

研究首次阐明WDR45通过其WD5结构域与Caprin-1发生相分离，形成凝胶状凝聚物并竞争性取代Caprin-1结合的G3BP1蛋白，从而直接激活SG分解程序。研究发现BPAN相关突变会破坏该相分离过程，导致SG分解延迟3倍以上，且这种功能障碍在患者iPSC衍生的中脑神经元中直接诱发神经退行性病变。值得注意的是，WDR45缺失还会加剧肌萎缩侧索硬化症（ALS）的病理SG累积，表明该机制具有广谱神经退行性疾病干预价值。这些发现不仅揭示了SG动态调控的关键分子开关，更为BPAN及相关脑病提供了全新的诊断生物标志物与治疗靶点。

Polar-SIM系统在该文章中的贡献

1）G3BP1阳性应激颗粒（红色）与WDR45蛋白（绿色）的共定位情况

为了确定WDR45是否依赖于Caprin-1，研究人员使用CRISPR-Cas9生成了CAPRIN1 KO细胞系，结果显示Caprin-1表达完全丧失。在CAPRIN1 KO细胞中，WDR45在SG中的结合率明显降低。结果表明，Caprin-1是WDR45募集到SG的必要条件。超分辨率结构照明显微镜（SIM）进一步证实了这一发现。在WT细胞中，WDR45与SG高度共定位，皮尔逊相关系数很高（图f，g）。然而，在CAPRIN1 KO细胞中，WDR45与SG之间的皮尔逊相关系数明显降低，这表明在Caprin-1缺失的情况下，WDR45与SG的招募受到了影响（图f，g）。

f Representative SIM (Structure Illumination Microscopy) images of G3BP1-positive SGs (Red) and WDR45 (Green) in WT and CAPRIN1 KO U2OS cells. Scale bar, 1 μm, Zoom’s Scale bar, 0.5 μm.

g Scatterplot representing the co-localization correlation between G3BP1 and WDR45 signal (WT and CAPRIN1 KO cells) during the SA stage as represented in (f). Data are shown as mean ± SD. Statistical significance was determined using an unpaired and two-sided t-test comparison. Each cell represents the Pearson coefficient analysis of cell ROI. ****P < 0.0001. n = 20 from 3 independent experiments.

f 野生型（WT）与CAPRIN1基因敲除（KO）的U2OS细胞中G3BP1阳性应激颗粒（红色）与WDR45蛋白（绿色）的代表性结构光照明显微镜（SIM）图像。比例尺：1 μm；放大图比例尺：0.5 μm。

g 散点图显示应激期（SA阶段）G3BP1与WDR45信号在野生型（WT）和CAPRIN1基因敲除（KO）细胞中的共定位相关性（对应图f）。数据以均值±标准差表示，统计学显著性采用非配对双样本t检验分析，每个数据点代表单个细胞感兴趣区域（ROI）的皮尔逊相关系数。****P < 0.0001（n = 20个细胞，来源于3次独立实验）。

2) G3BP1阳性应激颗粒（红色）与Caprin-1蛋白（绿色）的共定位情况

作者进行了基于SIM的超分辨率成像，结果显示WDR45 KO细胞的G3BP1和Caprin-1间的Pearson相关系数增加（图 g，h）。

g Scatterplot representing the co-localization correlation between G3BP1 and Caprin-1 signal (WT and WDR45 KO cells) during the SA stage. Data are shown as mean ± SD. Statistical significance was determined using an unpaired and two-sided t-test. ***p < 0.001. n = 20 from 3 independent experiments.

h Representative SIM (Structure Illumination Microscopy) images of G3BP1-positive SGs (Red) and Caprin-1 (Green) in WT and WDR45KO U2OS cells. Scale bar, 1 μm, Zoom’s Scale bar, 0.5 μm.

g 散点图显示应激期（SA阶段）野生型（WT）与WDR45基因敲除（KO）细胞中G3BP1和Caprin-1信号的共定位相关性。数据以均值±标准差表示，统计学显著性采用非配对双样本t检验，*p < 0.001（n = 20个细胞，来源于3次独立实验）。

h 野生型（WT）与WDR45基因敲除（WDR45 KO）的U2OS细胞中，G3BP1阳性应激颗粒（红色）与Caprin-1蛋白（绿色）的代表性结构光照明显微镜（SIM）图像。比例尺：1 μm；放大图比例尺：0.5 μm。

3）WDR45通过Caprin-1依赖性途径调节SG分解

基于SIM的超分辨率成像显示，SGs中G3BP1的分子密度在WDR45 KO细胞中显著增加，而在CAPRIN1 KO细胞中减少（图m，n）。这些结果表明，WDR45和Caprin-1在调节SG核心中具有相反的作用，其中WDR45 KO导致加强和更刚性的SG核心，而CAPRIN1 KO导致更松散和更不稳定的核心。

m, Representative SIM images of G3BP1-positive SGs (Red) in WT, WDR45, and CAPRIN1 KO U2OS cells. Scale bar, 5 μm.

n, Quantification of the average fluorescence intensity of each SG in WT, WDR45, and CAPRIN1 KO U2OS cells. Results are presented as mean ± SD, with statistical significance indicated by ****p < 0.0001, determined using one-way ANOVA with Tukey’s test.

m WT、WDR45和CAPRIN1 KO U2OS细胞中G3BP1阳性SG（红色）的代表性SIM图像。比例尺，5 μm。

n WT、WDR45和CAPRIN1 KO U2OS细胞中每个SG的平均荧光强度的定量。结果表示为平均值±SD，统计学显著性表示为*p < 0.0001，使用单向ANOVA和Tukey检验确定。