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本研究发现，泛素特异性肽酶19(USP19)是TDP-43蛋白病中一个关键的去泛素化酶(DUB)。它通过其催化活性和内质网(ER)定位，移除TDP-43及其C末端片段(TDP-CTFs)上的K48和K63多聚泛素链，从而促进其在胞浆中的聚集。这种聚集反过来会加剧内质网应激(ER stress)，形成致病性的正反馈环路。该研究在细胞、小鼠模型和人类脑组织中均验证了USP19的致病作用，揭示其是连接TDP-43蛋白稳态与内质网应激的关键节点，为相关神经退行性疾病提供了潜在的治疗新靶点。
TAR DNA结合蛋白43(TDP-43)在细胞核和细胞质之间的错误定位、聚集和沉积，是包括额颞叶变性-TDP(FTLD-TDP)和肌萎缩侧索硬化症(ALS)在内的多种神经退行性疾病的突出病理特征。TDP-43蛋白稳态和聚集受到多种翻译后修饰的调控，其中泛素化是关键修饰之一。尽管多种E3泛素连接酶已知可促进TDP-43的清除，但关于去泛素化酶(DUBs)在这一过程中的作用知之甚少。
USP19被鉴定为TDP-43导向的去泛素化酶
通过一项针对中枢神经系统中表达的泛素特异性蛋白酶(USPs)的siRNA筛选，研究人员发现，降低泛素特异性肽酶19(USP19)的表达可显著增加TDP-43的泛素化水平。进一步验证表明，USP19能与TDP-43结合，并通过其催化活性移除TDP-43上连接的K48和K63多聚泛素链。USP19有两种主要异构体：锚定在内质网(ER)膜上的USP19-ER和位于细胞质中的USP19-Cyto。两者均能结合并去泛素化TDP-43，但活性有差异。
USP19促进TDP-43 C末端片段的积累
研究特别关注了TDP-43的C末端片段(TDP-CTFs)，如TDP-35和TDP-25，这些片段是TDP-43蛋白病中积累的关键成分。在HeLa细胞和TDP-43过表达的神经元中，敲低USP19能够减少不溶性TDP-CTFs的水平，而过表达USP19-ER则能显著增加不溶性TDP-35的水平。这表明USP19，尤其是其ER锚定形式，能促进可溶性TDP-CTFs向不溶性状态的转化，从而驱动聚集。
USP19-ER异构体通过相分离优先去泛素化并增加不溶性TDP-CTF
进一步的机制研究发现，与胞质异构体相比，ER锚定的USP19-ER在去泛素化TDP-35方面表现出更优的效能。利用光遗传学Cry2olig-TDP-LCD-mCherry报告系统模拟TDP-43低复杂度域(LCD)的相分离过程，研究人员观察到，过表达USP19-ER能显著增加TDP-LCD的相分离颗粒数量和面积，而催化活性缺失的突变体(USP19-CS-ER)或胞质异构体(USP19-Cyto)则无此效应。这揭示了USP19的催化活性和ER定位对于加速TDP-43在ER位点的相分离和聚集至关重要。
USP19促进TDP-43的胞浆错误定位并增强内质网应激
USP19的活性是驱动TDP-43在胞浆积累所必需的。在蛋白酶体抑制剂MG132处理的条件下，敲低USP19可显著减少TDP-43向胞浆的错误定位。相反，过表达具有催化活性的USP19-ER可增加胞浆TDP-43的比例。更重要的是，内质网应激诱导剂衣霉素(tunicamycin)处理可显著增加内源性USP19与TDP-43之间的相互作用。在存在外源性TDP-43表达的细胞中，敲低USP19能显著削弱由衣霉素诱导的内质网未折叠蛋白反应(UPRER)，特别是ATF6-CHOP通路的激活。这表明USP19将TDP-43的聚集与内质网应激反应耦合在一起。
FTLD-TDP患者脑内USP19水平升高并与磷酸化TDP-43病理共定位
在人类FTLD-TDP患者额叶皮层的脑组织样本中，USP19的蛋白水平相比无痴呆对照组显著升高超过三倍。免疫组化染色显示，USP19与胞浆中的磷酸化TDP-43(pTDP-43)病理包涵体存在广泛的共定位，这为USP19在人类疾病中的致病作用提供了直接证据。
体内减少usp19可减轻TDP-43病理、降低内质网应激并逆转海马长时程增强和运动缺陷
为了在体内验证USP19的作用，研究人员将表达人野生型TDP-43的TAR4+/-小鼠与usp19+/-杂合小鼠杂交。在10月龄时，与TAR4+/-小鼠相比，TAR4+/-; usp19+/-小鼠大脑皮层中的磷酸化TDP-43包涵体减少了约55%。生化分析显示，usp19的减少选择性降低了胞浆中的TDP-43和TDP-35水平，而不影响核内TDP-43。同时，TAR4+/-小鼠中升高的星形胶质细胞增生标记物GFAP和内质网应激标记物CHOP，在双重突变小鼠中也几乎恢复到野生型水平。在电生理学方面，TAR4+/-小鼠海马切片表现出的长时程增强(LTP)缺陷，在TAR4+/-; usp19+/-小鼠中被完全逆转。在转棒实验中，TAR4+/-小鼠表现出的运动协调缺陷，也在usp19减少的小鼠中得到了显著改善。
讨论与意义
本研究首次将USP19鉴定为TDP-43导向的DUB，并阐明了其在TDP-43蛋白病中的关键作用机制。USP19通过其ER锚定位点和催化活性，优先去泛素化并稳定在ER位点产生的TDP-CTFs，阻碍其通过泛素-蛋白酶体途径被正常清除，从而促进其通过相分离形成聚集。这些聚集物反过来又加剧内质网应激，而内质网应激又会激活caspase-4进一步切割TDP-43产生更多CTFs，形成一个恶性的正反馈循环。USP19在人类病变脑组织中的上调及其与病理的共定位，强化了其临床相关性。在动物模型中，遗传学降低usp19即可显著减轻TDP-43病理、神经炎症、内质网应激，并改善突触可塑性和运动功能。这些发现确立了USP19是连接TDP-43蛋白稳态崩溃与内质网功能障碍的核心节点，不仅加深了对FTLD-TDP和ALS发病机制的理解，也为开发针对USP19的治疗策略提供了全新的、有潜力的方向。
