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乾貨 | 靠譜 | 實用
近年來, 亨廷頓舞蹈症的機制及潛在治療方法的研究取得了突破性進展, 並且為類似疾病(例如阿爾茲海默氏症、帕金森氏症等)的研究提供了思路。本文主要從亨廷頓舞蹈症的發病機制出發，對亨廷頓舞蹈病的研究現狀做一個概述。
神經退行性疾病(neurodegenerative disorders)是一類引起中樞神經元進行性死亡喪失進而逐漸導致神經系統功能障礙直至崩潰的嚴重疾病。其多見於中老年人, 造成巨大的社會負擔。隨著中國老齡化加劇, 神經退行性疾病研究的重要性也與日俱增。
目前研究最多的神經退行性疾病主要有阿爾茨海默氏症(Alzheimer’s disease, AD)、帕金森氏症 (Parkinson’s disease, PD)、肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)和亨廷頓病(Huntington’s disease, HD), 並稱四大神經退行性疾病。然而迄今為止, 國內外都沒有發現治本的方法。
近年來, 亨廷頓舞蹈症的機制及潛在治療方法的研究取得了突破性進展, 並且為類似疾病(例如阿爾茲海默氏症、帕金森氏症等)的研究提供了思路。本文主要從亨廷頓的發病機制出發，對亨廷頓舞蹈病的研究現狀做一個概述。
HD是一種常染色體單基因顯性遺傳病, 由HTT基因序列的突變引起。單基因突變引起疾病的根本原因可能是突變基因產物功能喪失(功能喪失型), 或者突變基因產物獲得新的功能(功能獲得型)。區別兩者是進一步研究疾病機制及可能治療策略的前提。
在小鼠遺傳學模型中獲得的實驗證據表明, HD主要是一種功能獲得型疾病, 主要證據體現在兩個方面。首先, Htt基因的缺失(敲除)並不能引起HD 的類似表型。Htt的完全敲除在小鼠中儘管胚胎致死, 但沒有引起神經特異的死亡, 與HD細胞表型不一致。雜合敲除小鼠基因Htt或者利用基因編輯技術敲除四月齡以上的成年小鼠的Htt並未引起HD相關表型。另一方面, 表達變異HTT基因的轉基因小鼠, 在保留原有野生型HTT基因表達的情況下, 仍然導致HD相關表型。近年來針對野生型HTT(wtHTT)的條件敲除的研究則表明, wtHTT的喪失也可能會通過影響選擇性自噬等引起細胞毒性, 參與疾病發生, 但絕大部分證據依然指向HD是功能獲得型疾病。
變異HTT基因表達的變異HTT蛋白(mHTT)具有神經毒性, 從而導致HD。而近期研究發現, 變異HTT基因表達的RNA可能通過重複序列非ATG起始的翻譯(RAN-translation)產生除了變異HTT蛋白之外的其他帶胺基酸重複的蛋白(包括帶polyAla、 polySer、polyLeu和polyCys的蛋白), 而這些蛋白的表達可能也會引起細胞毒性, 參與疾病的發生。
除了蛋白之外, 變異HTT基因表達的RNA, 由於具有對應的GUC重複序列, 也可能通過相變(phase transition)等機制引起毒性, 參與疾病的發生。 但這一假說目前還缺乏可靠的功能性證據。儘管近年來發現了以上這些可能參與HD產生及發展的新的源頭分子, 但絕大部分證據依然指向mHTT是HD產生的主要源頭。因此, mHTT為何產生神經毒性最終導致HD是疾病機制研究的核心問題。
近年來的證據表明, 可溶性的mHTT蛋白是導致疾病的主要種類。首先, 可溶性mHTT 會引起內質網應激、線粒體自噬、氧化應激等毒性細胞反應。與此一致, 可溶性mHTT而非mHTT聚集體, 與多個轉錄因子存在相互作用。更加直接的證據來自於針對細胞死亡的直接研究。HD大鼠神經元在沒有不可溶mHTT聚集體形成時已發生死亡, 並且死亡時間與可溶性mHTT的水平顯著相關。可溶性mHTT可能是產生細胞毒性導致HD的主要蛋白。因此, 可溶性mHTT中過長的polyQ導致細胞毒性的結構基礎, 是回答HD源頭分子機制的關鍵問題。
mHTT中polyQ的構象多態性
引起的降解異常可能是導致HD的源頭
針對過長的polyQ導致細胞毒性的構象基礎，依然缺少能夠直接闡述的結構生物學數據這一問題。近期的一項研究從一個嶄新的角度—蛋白質降解入手。一方面, 如果相同細胞的同一蛋白有著不同的降解速率, 意味著該蛋白存在不同的構象; 另一方面, HD神經元中, mHTT的降解速率與其神經毒性呈非常顯著的負相關, 即mHTT降解越慢, 其毒性越大。因此, 降解速率較慢的構象可能具有更高的毒性。
通過一種新建立的基於點擊化學和均相時間分辨螢光的蛋白降解速率測量方法CH-chase, 研究人員發現, polyQ抗體3B5H10所識別的mHTT構象的降解速率明顯低於其他polyQ抗體所識別的構象的降解速率, 從而直接證明了不同polyQ類型的存在。進一步研究發現，HD患者大腦組織和細胞中, 該構象的賴氨酸63型泛素化幾乎缺失, 因此無法被選擇性自噬接頭蛋白p62識別, 從而無法被選擇性自噬降解, 從而降解速率減緩, 導致較高毒性。因此, mHTT中過長的polyQ構象存在多態性, 導致構象依賴的不同的降解速率, 浮現了降解較慢的「毒性構象」, 進而可能產生細胞毒性, 導致疾病。
mHTT通過其下遊分子信號通路導致細胞毒性, 從而誘發疾病。臨床上HD的一些表現可能與mHTT產生毒性下遊分子機制密切相關。例如, HD的起病年齡(age of onset)被發現與mHTT的polyQ長度(即變異HTT基因的CAG重複數)呈顯著的負相關, 但其中的機制不明。
研究人員在一系列表達含有不同CAG重複數的HTT基因的小鼠模型中通過轉錄組研究發現, 特定轉錄組的「模塊(module)」在HD 紋狀體及皮層中與野生型有差異, 且這種差異隨年齡而加劇。更有趣的是, 其中部分模塊(例如紋狀體中的13個功能模塊)的差異隨年齡而加劇的速度與CAG重複數呈正相關。因此, CAG重複數越大, 引起轉錄組功能模塊變化的速度越快, 因此起病越早, 從而解釋了上述臨床表現。
HD以及其他神經退行性疾病的另一個臨床表現, 是其疾病蛋白水平以及症狀嚴重程度隨著時間不斷增加。最近的研究揭示了mHTT可以通過增加下遊激酶HIPK3的表達以及激酶MAPK11的活性, 正向調控其本身的水平, 從而對自身水平形成正反饋調控, 解釋了mHTT隨時間積累的可能分子機制。這可能為mHTT隨時間積累聚集以及HD疾病症狀的進行性發展提供了可能的解釋。
HD主要由HTT基因突變產生的mHTT蛋白的細胞毒性引起。mHTT在各種細胞中廣泛表達, 但HD中神經退行主要發生在大腦紋狀體, 而紋狀體中表達多巴胺二型受體(D2)的中間多棘神經元 (medium spiny neuron)在HD病人中最早死亡。 為何HD存在這種腦區異性也是領域關注的重要問題, 而闡明這種腦區特異性的本質有助於在細胞及神經環路層面理解疾病機制。
HD腦區特異性的產生主要有兩類可能的機制。一類是細胞自主性機制(cell autonomous), 即紋狀體神經元高表達某些特異基因, 放大了mHTT的毒性或者使得此類神經元對mHTT毒性更加敏感, 最終使得這些神經元在疾病中更容易退行死亡。例如, 紋狀體富集表達的小G蛋白Rhes, 可能通過增加mHTT的蘇木素化(SUMOylation)增加其毒性導致紋狀體神經元死亡。研究者發現, 紋狀體富集的孤兒G蛋白偶聯受體GPR52可以特異性增加紋狀體mHTT的水平, 導致紋狀體神經元的特異性死亡。
另一類可能的機制是非細胞自主性機制(non-cell autonomous), 即紋狀體神經元接收了其他類型細胞傳遞的信號而特異性死亡。 在BACHD小鼠模型中, 特異性關閉mHTT在紋狀體的表達, HD相關表型依然存在並只有很微弱的改善, 而特異性關閉mHTT在皮層的表達, 則幾乎完全拯救了該模型中各種HD的相關表型。此外, 近年來一些研究也表明, 皮層到紋狀體的神經環路投射及BDNF分泌可能對HD的腦區特異性有重要貢獻。由於小鼠模型的主要表型體現在神經功能方面, 神經退行表型非常微弱, 因此上述結論需要更好的模型和測試加以驗證, 而腦區特異性產生的真實機制是細胞自主性機制和非細胞自主性機制的協同作用。
綜上所述, 自HD致病基因HTT發現以來, HD產生的遺傳學機制、生化機制、下遊分子機制以及腦區特異性機制的研究均有重要突破。其中, HD的下遊分子以及細胞/腦區層面發病的機制更接近疾病的臨床表現, 針對性治療可能相對容易, 但不易治本。mHTT本身則更接近疾病產生的根源, 針對性治療更難, 但更可能獲得治本的療法。
參考文獻：中國細胞生物學學報 Chinese Journal of Cell Biology 2018, 40(10): 1621–1632 DOI: 10.11844/cjcb.2018.10.9002
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