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Nature:被遗忘的遗忘基因

2014/06/06 来源:孙学军/科学网博客
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导读
大部分神经科学家相信,β淀粉样蛋白是阿尔兹海默病患者大脑中这种蛋白是形成斑块的主要成分,但事实上,位于人体第19号染色体上的APOE4基因,已经被确认和阿尔兹海默病发病关系最为密切,然而大多数人并不相信。


大部分神经科学家相信,β淀粉样蛋白是阿尔兹海默病患者大脑中这种蛋白是形成斑块的主要成分,这一信念也使β淀粉样蛋白成为阿尔兹海默病领域的重要研究内容。1991年,杜克大学神经科学家Warren Strittmatter当时就是在研究β淀粉样蛋白和阿尔兹海默病的关系,他主要的研究内容是用脑脊液中寻找b淀粉样蛋白,但是他只找到载脂蛋白E (ApoE),这个蛋白在当时被认为和阿尔兹海默病丝毫没有联系,他把这一组令人奇怪的研究数据汇报给他的老板,遗传学家Allen Roses。

Roses教授立刻意识到,Strittmatter偶然发现的ApoE具有重要价值,因为就在2年前(1989年),他的小组已确定19号染色体和阿尔兹海默病存在密切关系。遗传学教授Roses当然知道,APOE基因编码也位于19号染色体,这强烈提示,APOE基因和阿尔兹海默病存在密切联系。他的这一想法彻底改变了自己后来的生活,让他遭受很多挫折。

人类拥有三个不同类型的APOE基因,分别是APOE2 、3和4(没有1)。Roses教授认为,证明自己判断最关键的问题是要确定那种APOE基因属于阿尔兹海默病的危险因子(关键科学问题选择恰当)。他知道不同类型的APOE基因可采用PCR技术进行分析,但Roses教授自己并不熟悉PCR技术,他请组内熟悉PCR的博士后帮忙检测样本,以比较阿尔兹海默病和健康人这些基因表达的差异,但这些胆怯的博士后拒绝了导师的请求,原因是他们正忙于寻找阿尔兹海默病基因,而APOE基因不是候选目标。Roses教授回忆当时的情景,实验室同事们一致认为,这家伙肯定这被疯狂想法冲昏了头脑。

可怜的Roses教授只能寻求Ann Saunders的帮助,小鼠遗传学家Ann Saunders是Roses教授的妻子,擅长PCR技术。当时Saunders正在家休产假养小孩,最后Roses和妻子达成协议,Roses教授在家照看孩子,Saunders帮他做实验。高手出马真不一样,三星期后,Saunders拿到数据,证明APOE4是阿尔兹海默病的高风险因子的猜想,文章2年后发表在PNAS上。Warren Strittmatter是该文章第一作者,Ann Saunders第二作者,Roses教授是通讯作者。就是这篇文章,让Roses教授多年痴迷于APOE4是阿尔兹海默病的高风险基因梦想追求中,导致后来的一些挫折。

20多年过去了,APOE4已经被确定和阿尔兹海默病发病关系最密切的基因。如果基因组中包含1拷贝APOE4,阿尔兹海默病发病率增加4倍,包含2拷贝APOE4,阿尔兹海默病发病率增加12倍。但不幸地是,Roses的研究被长期忽视甚至被批评。几年后,关于APOE4和阿尔兹海默病发病关系的研究完全被掩盖在β淀粉样蛋白研究海量文献中。几个小组仍在艰难地开展APOE4研究,但基金资助机构和神经科学组织几乎把他们打入冷宫,获得开展大型研究的经费完全不可能。

虽然后来APOE蛋白在大脑的功能逐渐被广泛认可,但对APOE4和阿尔兹海默病关系的研究仍被压制,这种被压制的情形让阿尔兹海默病研究领域以外的人都会感到无法理解。现在情况终于得到改善,部分原因是关于b淀粉样蛋白的研究在临床研究上的几乎彻底的失败。医药公司现在开始从b淀粉样蛋白为基础的药物开发研究领域撤退,一些科研机构也开始检讨局限于b淀粉样蛋白的失策。围绕ApoE4的新药也开始受到医药公司青睐。

非赢利组织“抗击阿尔兹海默病2020”主席,前美国NIH阿尔兹海默病研究总协调人Zaven Khachaturian说,β淀粉样蛋白假说所以能统治这一领域,主要是基于信念,而不是证据(难道科学不是以证据为依据吗?)。没有人认真考虑是否关于该疾病的基础是否准确。

为什么Roses的发现被基金资助机构忽视。许多人认为,是他选择的时机不好。1991年,John Hardy和David Allsop刚提出阿尔兹海默病“β淀粉样蛋白瀑布”假说,该假说认为,阿尔兹海默病是由于β淀粉样蛋白异常积聚成斑块造成的。大批学者跟风这一假说,形成了群众基础和绝对优势(形成学术山头),造成阿尔兹海默病领域的基金几乎全部向这一假说集中。

但是Roses认为,β淀粉样蛋白是形成斑块的成分之一,可导致细胞死亡和大脑萎缩,但我不认为这是导致该疾病的原因”。正因为如此,他也没有想过用b淀粉样蛋白和ApoE相互关系作为杂交假说的手段去申请基金,他再也没有获得过任何关于ApoE的研究基金项目。

阿斯利康研究人员Menelas Pangalos长期关注APOE的研究,他认为APOE的研究存在技术难度。这个蛋白在全身许多组织都有分布,很难针对大脑进行选择性研究。APOE容易和其他脂类物质结合,导致分析难度增加。华盛顿大学神经学家David Holtzman认为,开展APOE研究需要比较雄厚的脂类生物化学分析基础。Holtzman最近刚刚建立了一套研究中枢神经系统脂蛋白的生物化学技术平台。

而β淀粉样蛋白是比较容易研究的分子。20多年的大量研究已经开发出大量影响β淀粉样蛋白代谢的潜在药物,但是这些药物的大部分都令人非常失望。例如2012年进入二期和三期临床的6个新药,有3个因为治疗效果不佳和副作用过大而被中断研究。这和人口老龄化加快,对阿尔兹海默病新药需求增加的大背景形成鲜明对照。加州大学格莱斯顿神经疾病研究所所长Lennart Mucke说,关于阿尔兹海默病新药研究的大量失败几乎是恐怖,许多大医药公司都被吓跑。

保留下来的三个针对β淀粉样蛋白的药物目前继续研究,研究观测对象不仅有阿尔兹海默病患者,而且包括无症状高危人群。研究发现,阿尔兹海默病高危人群可在症状出现、β淀粉样蛋白斑块形成、皮层萎缩前10年出现影像学异常。这些研究确定这些药物是否能预防或延缓疾病的发生。研究预计将在6年后完成。学术领域和医药企业现在已经有共同的认识,这已经是验证“β淀粉样蛋白瀑布”假说正确的最后机会。在担心的同时,人们开始将希望的目光转向ApoE。

Mucke对ApoE很乐观,虽然存在技术困难,但是ApoE4作为危险因子的原因已经被深入研究,Holtzman和 Mucke小组都采用转基因技术建立了小鼠表达人类ApoE4的动物模型。

阿尔兹海默病发生可能存在两个独立的通路,分别是b淀粉样蛋白依赖和非依赖通路。动物实验和人类患者,ApoE4可强烈促进b淀粉样蛋白在大脑组织中沉积,另外ApoE3和阿尔兹海默病没有关系,但是ApoE2则能避免阿尔兹海默病发生,减少b淀粉样蛋白在大脑组织中沉积。该疾病也存在不依赖于b淀粉样蛋白通路。当神经元受到应激刺激时,能通过合成ApoE修复细胞损伤,但坏的ApoE4能破坏线粒体,改变细胞骨架。Holtzman说,这两种阿尔兹海默病机制的相对重要性目前仍不清楚,但是他认为如果将坏的ApoE4转变成为没有毒性的类型,将对阿尔兹海默病具有治疗作用。

在格莱斯顿,心血管学家Robert Mahley和神经科学家Yadong Huang小组合作发现一种小分子能改变ApoE4蛋白的结构,使之变成类似ApoE3的结构,这样能缓解ApoE3诱导b淀粉样蛋白沉积的破坏性。

在体外细胞研究中,发现低浓度的这种小分子能减少线粒体损伤和神经细胞功能异常。他们目前正在开展动物模型的实验。如果这种小分子被证明对人类安全而且有效。Mucke预计将会成为预防阿尔兹海默病的理想药物。甚至有可能象他汀类药物预防高胆固醇血症一样有效(太乐观了吧)。

由于该药物是保护线粒体,逻辑上也能解释其他引起阿尔兹海默病的危险因素。例如巴金森病和癫痫都存在线粒体损伤问题,脑创伤和爱滋病也存在同样问题。15家生物技术公司已经和格莱斯顿合作开发这类药物。



虽然在申请基金上受挫,Roses教授从来没有放弃ApoE。但是刚开始几年,由于厌倦了申请基金的抗争,他选择离开学术领域到企业工作了10年,但这期间在完成其他工作之余,仍继续坚持从事ApoE的研究。2008年,他重新回到杜克大学。2009年他的小组发现了一种可伸缩的非编码DNA序列TOMM40,这种序列存在于19号染色体APOE基因附近。TOMM40序列编号为523,长度变异很大。其长度决定TOMM40 和 APOE的表达水平。

Roses认为,这一发现十分重要,因为TOMM40编码的蛋白Tom40是决定线粒体功能的关键。Tom40能在线粒体外膜形成通道,这种通道能将蛋白输入线粒体。缺乏Tom40蛋白,线粒体将无法分裂。这是10多年来线粒体领域的重要发现之一,但是在阿尔兹海默病研究领域并不受重视。

Roses认为,围绕TOMM40基因能开发出治疗和诊断阿尔兹海默病的新方法。阿尔兹海默病患者中只有25%携带APOE4基因,所以通过APOE4只能筛选出少部分高危患者。但是如果将APOE4和TOMM40结合起来,将减少遗漏,大大提高筛选的效率。他的小组研究发现,APOE3携带者(正常人群)的TOMM40序列比较短。其他一些小组也证实了Roses的假说,但也有一些小组无法重复出他们关于TOMM40的结果。伦敦学院大学Hardy和Rita Guerreiro写过一个编者评论,对Roses提出的TOMM40观点提出质疑。

Roses对自己的假说坚信不疑,他相信自己的发现有充分依据。他认为用全基因序列分析不能重复出他的结果并不能作为否定TOMM40和阿尔兹海默病有关的依据。Khachaturian说证明Roses假说最合适的方法是进行大规模对列研究,但现在并没有这样的研究。

Roses希望不久能将他们的发现和更多临床研究数据进行对比,为此他自己筹集资金成立一个公司Zinfandel Pharmaceuticals。和日本Takeda医药公司合作,Zinfandel公司资助了一个三期临床研究TOMMORROW,将主要验证他的假说。TOMMORROW计划用5年时间,招募6000名健康老年人,将通过风险评估算法对年龄、APOE 和TOMM40和阿尔兹海默病发生的关系进行分析。这一试验还将验证小剂量吡格列酮是否能延缓那些高危人群发生阿尔兹海默病的几率。大剂量吡格列酮已经被批准用于二型糖尿病治疗。动物和小规模临床研究表明,小剂量吡格列酮能预防或反转阿尔兹海默病的病理改变,改善临床症状。Roses认为吡格列酮主要是通过刺激线粒体分裂发挥作用。

当然试验不一定要求成功治愈,哪怕是能延缓发病2年,也是不得了的成就,因为这样的效果将可使50年后美国的阿尔兹海默病患者减少2百万例。这一研究结果将促使科学家重新评估对这一疾病的认识。现在已经到了正视和认识失败的时候了。在这一复杂疾病面前,可能大家都走向一个误区,大脑损伤的原因可能是多种因素共同作用下的复合结果,而不是任何一种因素单独发生作用。对大脑的研究,应该从单因素向复合因素转移。
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