Eprs1-KO 基因敲除小鼠

Eprs1基因编码的蛋白是一种双功能的氨基酰-tRNA合成酶（aaRS），即谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶（EPRS1）。这种酶在蛋白质合成过程中起着至关重要的作用，因为它负责将谷氨酸和脯氨酸氨基酸连接到它们的对应tRNA上。EPRS1与另外七种aaRS和三种非催化蛋白一起，存在于细胞质的多元-tRNA合成酶复合物（MSC）中。EPRS1不仅参与蛋白质合成，还具有非典型的功能，如与DNA损伤修复和细胞存活相关。此外，EPRS1的表达和功能异常与多种疾病有关，包括乳腺癌、白质营养不良、心肌病和COVID-19。

研究表明，EPRS1在乳腺癌细胞中的核定位与其功能密切相关。在乳腺癌细胞中，EPRS1主要存在于细胞质中，但在PTEN表达低的细胞中，通过化学或遗传抑制PTEN，或化学或应激介导的AKT激活，可以诱导EPRS1的核定位[1]。EPRS1的核转运需要其连接催化谷氨酰-tRNA合成酶和脯氨酰-tRNA合成酶结构域的核定位信号（NLS）。核EPRS1与DNA损伤传感器多聚ADP核糖聚合酶1（PARP1）相互作用，PARP1是一种指导蛋白质多聚ADP核糖基化（PARylation）的酶。EPRS1是PARP1活性的关键调节因子，因为EPRS1敲低细胞的ADP-核糖基化显著减少。此外，EPRS1和PARP1的敲低均导致多种肿瘤相关基因的表达改变，抑制DNA损伤修复，减少肿瘤细胞存活，并减少乳腺癌细胞的肿瘤球形成。EPRS1介导的PARP1活性调节为PTEN缺失的乳腺癌细胞、PARP1激活、细胞存活和肿瘤生长之间提供了一个机制性的联系。针对EPRS1的非典型活性，而不抑制其典型的tRNA连接酶活性，为补充现有的PARP1抑制剂提供了一种潜在的治疗方法[1]。

EPRS1的变异也与白质营养不良有关。研究表明，EPRS1基因的纯合错义变异导致EPRS1蛋白表达显著减少，这是由于变异EPRS1 mRNA的核输出和细胞质翻译的双缺陷。变异mRNA表现出由METTL3甲基转移酶介导的N6-甲基腺苷（m6A）的写入减少，以及YTHDC1和YTHDF1/3的读取减少，这分别对m6A的mRNA核输出和翻译效率至关重要。与当前模型相反，变异并未改变m6A靶位点的序列，而是减少了它们被修饰的可及性。这种缺陷可以通过反义吗啉预测来拯救，以暴露靶EPRS1 mRNA上的m6A位点，或者通过METTL3-dCas13b对mRNA进行m6A修饰，这是一种靶向RNA甲基化编辑器。这些结果揭示了一种新的RNA依赖性致病机制，通过这种机制，SNVs可以影响基因表达和疾病，从而为针对这些疾病的个性化、基于RNA的治疗提供了机会[2]。

EPRS1在心肌细胞（CMs）中的生理功能及其在CM特异性缺失时的潜在影响尚不清楚。研究发现，CM中Eprs1杂合敲除对压力超负荷引起的CM肥大没有显著影响，而Eprs1纯合敲除导致扩张型心肌病、心力衰竭，并在Eprs1删除后约1个月死亡。早期Eprs1敲除心脏的转录组分析表明，多种离子通道基因的表达显著减少，而促凋亡途径和整合应激反应的基因表达增加。蛋白质组分析显示，多元氨基酰-tRNA合成酶复合物成分、脂肪酸和支链氨基酸代谢酶的蛋白质表达减少，而细胞质翻译机器相关蛋白的表达补偿性增加。免疫印迹分析表明，在早期阶段，多种脯氨酸丰富蛋白减少，这可能有助于Eprs1敲除小鼠的心脏功能障碍。这些研究结果展示了Eprs1缺失的生理和分子结果，为CMs中EPRS1靶向治疗方法的潜在副作用提供了有价值的见解[3][4]。

EPRS1还与SARS-CoV-2病毒感染有关。研究发现，胰岛素和干扰素-γ两种宿主衍生的应激相关剂和病毒刺突蛋白诱导EPRS1结合到sgRNA的3'-端，从而增强sgRNA的表达。研究人员发现了一个EPRS1结合的sarbecoviral pan-end激活RNA（SPEAR）元件，它在病毒RNA的3'-端驱动激动剂诱导。ORF10的翻译是SPEAR介导的诱导所必需的，独立于Orf10蛋白的表达。SPEAR元件增强了病毒程序性核糖体移位，从而扩大了其功能。通过利用一系列必需宿主蛋白的非典型活性，病毒建立了一个转录后调控区，刺激了全局病毒RNA翻译。SPEAR靶向策略显著降低了SARS-CoV-2的滴度，表明了一种泛sarbecoviral治疗方法[5]。

此外，EPRS1基因的突变也与糖尿病和骨病有关。研究发现，EPRS1基因的复合杂合突变导致患者细胞对压力敏感，触发增加的整合应激反应（ISR），从而降低细胞活力。患者来源的细胞表达复合杂合EPRS显示出ISR的增强诱导，表明蛋白质稳态的破坏。这些结果对理解ARS相关的人类疾病机制和开发新的治疗方法具有重要意义[6]。

最后，EPRS1突变还与白质营养不良15（HLD15）有关。研究发现，HLD15相关的无义突变使EPRS1蛋白定位在Rab7阳性的囊泡结构中的多聚体聚集。野生型蛋白相反，分布在整个细胞体中。表达R339X突变蛋白的细胞，但不是野生型蛋白的细胞，诱导Rab7强烈的信号调节。表达野生型蛋白的细胞在分化诱导后表现出具有分支的髓鞘网状结构，而表达R339X突变蛋白的细胞则没有。这些结果表明，HLD15相关的EPRS1突变蛋白定位于Rab7阳性的囊泡结构中，它们在那里调节Rab7调节信号，抑制细胞形态分化。这些发现可能揭示了HLD15的一些分子和细胞病理机制[7]。

总之，EPRS1是一种重要的双功能氨基酰-tRNA合成酶，参与蛋白质合成和多种生物学过程。EPRS1的表达和功能异常与多种疾病有关，包括乳腺癌、白质营养不良、心肌病和COVID-19。EPRS1的研究有助于深入理解其在疾病发生和发展中的作用，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。