2023年2月，德国柏林医学遗传与人类遗传研究所在Nature上发表了“Aberrant phase separation and nucleolar dysfunction in rare genetic diseases”一文，研究人员发现HMGB1新发移码突变引起短指、多指和胫骨再生障碍综合征。HMGB1新发移码突变体中富含精氨酸的碱性尾取代了HMGB1蛋白固有的无序酸性尾巴，从而改变了HMGB1相分离，增强其向核仁的分配并导致核仁功能障碍。   

研究背景

数千种蛋白编码基因变异与疾病有关。然而，大多数变异的功能影响是未知的，因为它们发生在具有不明确功能的内在无序区。内在无序区可以介导相分离和生物分子凝聚物的形成，如核仁。这表明无序蛋白的突变可能改变凝聚物的性质和功能。HMGB1编码一种高度保守、低特异性的DNA结合因子，包含两个负责DNA结合的HMG盒和C端酸性尾（位于大约60个氨基酸的长保守固有无序区域IDR内），与细胞信号传导、细胞运动、碱基切除修复和染色质环相关。   

研究结果

研究发现五个BPTAS患者表现出独特的骨骼表型，包括短而畸形的下肢，其特征是胫骨再生障碍或发育不全、多指和大关节挛缩，而上肢的症状较轻。对5个家庭进行遗传分析鉴定出HMGB1新发杂合移码突变（图1）。     

图1. HMGB1中新发移码突变导致BPTAS 

研究人员纯化了eGFP- HMGB1蛋白，并于体外进行检测。野生型全长HMGB1在10%聚乙二醇（PEG）存在下形成液滴，并且液滴的数量和大小与蛋白质浓度成比例。液滴呈球形，沉淀在表面，偶尔会发生融合，这是相分离的标志。相比之下，移码突变体HMGB1形成无定形冷凝物，其饱和浓度较低，并且在光漂白后，荧光恢复比野生型HMGB1液滴慢。这些结果表明，HMGB1中的移码突变促进了凝聚物的形成，并改变了体外凝聚物的性质（图2）。 

图2. HMGB1移码突变在体外改变HMGB1相分离

研究人员在U1OS细胞中异位表达eGFP-HMGB2。野生型HMGB1在活细胞中显示出弥漫性核定位。相比之下， HMGB1突变体离散定位于核内。突变体HMGB1 IDR的异位表达也导致U2OS细胞中核包涵体的形成，这表明突变体HMGB1中变异的IDR负责改变亚核定位。靶向诱变实验表明，移码突变体HMGB1的核仁错误分配取决于移码产生的序列中的精氨酸残基，并且疏水区域有助于核仁停滞（图3）。 

图3.突变体HMGB1取代体内核仁的颗粒成分并改变HMGB1定位

研究发现表达移码突变体HMGB1的U2OS细胞中28S rRNA的水平显著降低了约1.5倍。随后检测核糖体功能障碍，与表达野生型HMGB2的细胞相比，表达突变型HMGB1的U1OS细胞表现出低水平的嘌呤霉素强度，且在培养数天后表现出显著降低的活力，这种活力降低与核仁停滞有关。使用表达来自PiggyBac转座子的eGFP-HMGB1转基因的细胞系证实了核仁错误分配，核仁停滞和活力降低。这些结果表明细胞中HMGB1移码突变体的存在会破坏核仁功能并具有细胞毒性（图4）。

图4. HMGB1移码突变破坏核仁功能并具有细胞毒性

结论

综上该研究确定了一种罕见的复杂综合征的原因，并表明大量的遗传变异可能导致人类核仁和其他生物分子凝聚体失调。这提示相分离的破坏可能经常发生在遗传疾病中，对潜在分子基础的进一步研究可能会为未来以改变相分离达到治疗目的提供理论支撑。 

参考文献：Mensah MA, Niskanen H, Magalhaes AP, et al. Aberrant phase separation and nucleolar dysfunction in rare genetic diseases. Nature. 2023 Feb;614(7948):564-571.  

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撰文：刘慧慧

编辑：刘振兴

审核：张贤钦

课题组网址 http://life.hust.edu.cn/info/1046/13645.htm

课题组介绍-分子医学团队