谷氨酰-脯氨酰-tRNA合成酶1

氨酰-tRNA 合成酶是用同源氨基酸对 tRNA 充电的酶。这是遗传信息翻译中必不可少的第一步，因为与密码子-反密码子识别一起，该反应的特异性决定了 mRNA 翻译的保真度。每个氨基酸在细胞质中至少存在一种合成酶（Kunze 等人，1990）。在高等真核生物中，9 个氨酰-tRNA 合成酶与一个多酶复合物相关，该复合酶由 11 个多肽组成，分子量范围为 18 至 150 kD。EPRS 是一种多功能氨酰-tRNA 合成酶，可催化谷氨酸和脯氨酸 tRNA 种类的氨酰化（Cerini 等人，1991）。

▼ 克隆与表达

切里尼等人（1991）克隆了来自果蝇的 cDNA，编码氨酰-tRNA 合成酶复合物的最大多肽。他们证明了相应的蛋白质是一种多功能氨酰-tRNA 合成酶，具有两种不同的合成酶活性。当在大肠杆菌中分别表达时，发现 N 和 C 末端结构域分别催化谷氨酸和脯氨酸 tRNA 种类的氨酰化。在原核生物中，这两种氨酰-tRNA 合成酶由不同的基因编码。基因融合事件导致多功能合成酶的出现似乎是所有高等真核细胞的特殊但普遍的属性。这种类型的结构组织，与多合成酶复合物的发生有关，可能是一种将多个催化结构域整合到同一粒子内的机制。

在人类中，与在果蝇中一样，谷氨酰-tRNA 合成酶（GluRS）和脯氨酰-tRNA 合成酶（ProRS）活性包含在一条称为 EPRS 的多肽链中，尽管这些酶属于不同的类别并且被认为是孤立进化的进化途径（Kaiser 等人，1994 年）。Fett 和 Knippers（1991）从 cDNA 克隆中发现的开放解读码组得出结论，EPRS 酶包含 1,440 个氨基酸。

贾等人（2008）指出，人类 EPRS 是一种 172 kD 的蛋白质，包含一个 N 端延伸因子-1B-γ（EEF1G; 130593 ）样结构域，随后是一个 ERS 催化结构域、一个 300 个氨基酸的接头区域和一个C-末端 PRS 催化结构域。接头区域包含 3 个串联的 WHEP 结构域，它们是在其他氨酰-tRNA 合酶中发现的 50 个氨基酸螺旋-转角-螺旋结构。

罗等人（2014 年）报道了每种人氨酰 tRNA 合成酶的大量天然催化无效值的发现。剪接事件保留非催化结构域，同时消融催化结构域以产生具有多种功能的催化无效。每种合成酶都被转化为几种新的信号蛋白，其生物学活性与催化亲本的生物学活性“正交”。重组氨酰 tRNA 合成酶变体在一系列基于细胞的测定中具有特定的生物学活性：所有物种中约 46% 影响转录调节，22% 细胞分化，10% 免疫调节，10% 细胞保护，以及增殖、脂肪生成各 4% /胆固醇转运和炎症反应。罗等人（2014）鉴定了细胞质氨酰tRNA合成酶的框内剪接变体。他们确定了 GluProRS 的 1 个催化结构域保留的剪接变体。

▼ 基因功能

Sampath 等人（2004）表明 EPRS 具有可调节的非规范活性，可阻断铜蓝蛋白的合成（CP; 117700 ）。他们使用 CP 的 3 素 UTR 中的 GAIT 元件作为配体，通过 RNA 亲和层析将EPRS 鉴定为 γ-干扰素（IFNG; 147570 ）激活的翻译抑制剂（GAIT）复合物的一个成分。Sampath 等人（2004）证明，响应于 IFNG，EPRS 被磷酸化并从多合成酶复合物中释放。它随后在含有 GAPDH（ 138400 ）、NSAP1（SYNCRIP; 616686 ）和 L13a（MRPL13; 610200 ）的 mRNA 核糖核蛋白复合物中结合 CP 的 3 素 UTR，并沉默 CP mRNA 翻译。

贾等人（2008 年）表明，人类 EPRS 的 WHEP 结构域 1 和 2 指导与携带 GAIT 元件的 mRNA 的高亲和力结合，而 WHEP 结构域 2 和 3 结合抑制 mRNA 结合的 NSAP1。EPRS 与核糖体蛋白 L13a 和 GAPDH 的相互作用诱导了一种构象转换，从而挽救了 mRNA 结合并恢复了翻译控制。纯化成分的总重组表明，ERPS、NSAP1、GAPDH 和 L13a 对于功能性步态复合体的自组装是必要和充分的。

阿里夫等人（2009）表明，人类 EPRS 的中央接头区域中 ser886 和 ser999 的连续和孤立磷酸化是其非经典 IFNG 诱导的基因沉默活性所必需的。不需要 EPRS 的合成酶结构域。EPRS 需要两种丝氨酸的磷酸化才能离开其在多合成酶复合物中的正常驻留，并且每个磷酸丝氨酸都是抑制过程中后续步骤孤立所需的。阿里夫等人（2009）提出了一个两步模型，其中释放的磷酸-EPRS 与 NSAP1 相互作用形成不结合 GAIT 元件的前 GAIT 复合物。随后 EPRS 通过 phospho-L13a 和 GAPDH 结合诱导构象转变，取代 NSAP1 形成活性 GAIT 复合物，该复合物结合目标 mRNA 的 3 素 UTR 中的 GAIT 元件。

Arif 等人使用小鼠和人类细胞（2017）发现 EPRS 在 ser999 处被 mTORC1（ 601231 ）-S6K1（RPS6KB1; 608938 ）轴磷酸化。

▼ 基因结构

凯撒等人（1994）发现 EPRS 基因由分布在至少 90 kb 基因组 DNA 上的 29 个外显子组成。编码酶的谷氨酰特异性和脯氨酰特异性部分的外显子各自聚集在位于基因两端的 10-kb 部分中。这 2 个外显子簇由一个长的插入 DNA 部分隔开，该部分具有许多外显子编码功能，这些功能可能参与哺乳动物多酶合成酶复合物的组织。该基因的上游区域显示出受调控基因的结构特征。

▼ 测绘

通过分析一组啮齿动物-人类细胞系和原位杂交，Kunze 等人（1990）将编码氨酰-tRNA 合成酶的人类 cDNA 对应到 1q32-q42。虽然Kunze 等人（1990）认为映射的 cDNA 编码谷氨酰胺酰-tRNA 合成酶（GlnRS；603727 ），Kaiser 等人（1994）指出，映射的基因实际上编码了Cerini 等人表征的果蝇谷氨酰-脯氨酰-tRNA 合成酶的人类同源物（1991 年）。昆泽等人（1990）指出这是在人类基因组中定位的第九个氨酰-tRNA 合成酶基因。对于其他人，请参阅条目107820、108410、142810、151350、156560、187790、191050和192150。通过原位染色体杂交，Kaiser 等人（1994）在人类中将位置细化为 1q41-q42，并将小鼠同源物对应到 1H4-ter。

▼ 分子遗传学

Mendes 等人在 4 名患有低髓性脑白质营养不良 15（HLD15; 617951 ）的无关患者中（2018）鉴定了 EPRS 基因中的纯合或复合杂合突变（ 138295.0001 - 138295.0005）。前3例患者全外显子组测序发现突变，Sanger测序证实；通过对 EPRS 基因的直接测序发现了第四名患者的突变。这些突变通过 Sanger 测序得到证实，并与所有家族的疾病分离。其中两个突变是无义和移码，3 个是影响 tRNA 合成酶核心结构域的错义变体。使用患者细胞或 2 个错义突变的重组蛋白模型进行的体外功能研究表明，它们导致 EPRS 的蛋白质水平降低和氨酰化活性受损。门德斯等人（2018）得出结论，突变导致的翻译能力和蛋白质可用性降低会导致发育中的大脑中髓磷脂沉积不足。

▼ 动物模型

阿里夫等人（2017）在 C57BL/6 背景上产生纯合磷酸缺陷（S999A）和拟磷酸（S999D） Eprs-knockin 小鼠。纯合 S999A 小鼠的体长与野生型小鼠相同，但它们的脂肪细胞较小，肥胖和体重减轻，成人葡萄糖稳态改善，耗氧量和能量消耗增加，寿命延长。纯合 S999A 小鼠的脂肪细胞减少了胰岛素刺激的 Eprs 与脂肪酸转运蛋白 1（FATP1 或 SLC27A1；600691）和长链脂肪酸摄取，以及增强的基础脂肪分解。在纯合 S999D 小鼠中未观察到这些变化。然而，在 S6k1 缺陷小鼠中 EPRS S999D 等位基因的替代使体重和肥胖正常化，表明 Eprs 磷酸化介导 S6k1 依赖性代谢反应。

▼ 等位基因变体（ 5个精选示例）：

.0001 白细胞营养不良，髓鞘功能减退，15
EPRS1、PRO1115ARG
Mendes 等人对一个 16 岁男孩（患者 1），由近亲出生，患有髓鞘性脑白质营养不良 15（HLD15；617951）（2018 年）在 EPRS 基因的外显子 23 中鉴定出纯合 c.3344C-G 颠换（c.3344C-G，NM_004446.2），导致 pro1115-to-arg（P1115R）在 1 个保守残基处取代tRNA 合成酶核心结构域。一名患有 HLD15 的无关女性（患者 2）是 P1115R 复合杂合子和外显子 9 中的 c.1015C-T 转换，导致 arg339 到 ter（R339X; 138295.0002）在第一个 tRNA 合成酶结构域中。预计 c.1015C-T 转换会导致无义介导的 mRNA 衰变。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。在 ExAC 数据库中以低频率（0.012%）发现 R339X 变体，而在 ExAC 数据库中未发现 P1115R。与对照组相比，患者成纤维细胞的 EPRS 蛋白量减少。将 P1115R 突变转染到大肠杆菌中表明，与对照相比，该变体的 EPRS 活性降低。然而，P1115R 变体不影响质谱监测的多合成酶复合物（MSC）的组装。

.0002 白细胞营养不良，低髓鞘化，15
EPRS1、ARG339TER
讨论 EPRS 基因外显子 9 中的 c.1015C-T 转换（c.1015C-T，NM_004446.2），导致 arg339-to-ter（R339X）取代，在复合杂合状态中发现Mendes 等人的一名患有低髓性脑白质营养不良 15（HLD15; 617951 ）的患者（2018），见138295.0001。

.0003 白细胞营养不良，低髓鞘化，15
EPRS，PRO1160SER
Mendes 等人对患有髓鞘性脑白质营养不良 15（HLD15; 617951 ）的 9 岁女孩（患者 3）进行了研究（2018 年）鉴定了 EPRS 基因中的复合杂合突变：外显子 24 中的 c.3478C-T 转换（c.3478C-T，NM_004446.2），导致保守残基处的 pro1160-to-ser（P1160S）取代在 1 个 tRNA 合成酶核心结构域中，以及 1-bp 缺失（c.3667delA；138295.0004）在外显子 26 中，预计会导致移码和过早终止（Thr1223LeufsTer3）。通过全外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变与家族中的疾病分离。在 ExAC 数据库中未发现任何变体。没有进行变体的功能研究和患者细胞的研究，但预计移码突变会导致无义介导的 mRNA 衰变。

.0004 白细胞营养不良，髓鞘功能减退，15
EPRS，1-BP DEL，3667A
讨论 EPRS 基因外显子 26 中的 1 bp 缺失（c.3667delA，NM_004446.2），预计会导致移码和过早终止（Thr1223LeufsTer3），这在髓鞘发育不良患者的复合杂合状态下发现Mendes 等人的leukodystrophy-15（HLD15; 617951 ）（2018），见138295.0003。

.0005 白细胞营养不良，低髓鞘化，15
EPRS，MET1126THR
Mendes 等人在患有髓鞘性脑白质营养不良 15（HLD15; 617951 ）的 2 岁女孩（患者 4）中（2018 年）在 EPRS 基因的外显子 24 中鉴定出纯合 c.3377T-C 转换（c.3377T-C，NM_004446.2），导致在 1 个保守残基处发生 met1126 到 thr（M1126T）取代tRNA 合成酶结构域。通过直接测序发现的突变与家族中的疾病分离。在 ExAC 数据库中找不到它。与对照组相比，患者淋巴母细胞的 EPRS 活性显着降低。