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拯救渐冻人,发现ALS真正诱因

2014/09/11 来源:锐博生物
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导读
渐冻人的生活远没有冰桶挑战赛那么欢乐,100美金对于他们来说只不过是杯水车薪。

肌萎缩性脊髓侧索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS),又被称作卢伽雷氏症,也就是最近被大家所关注的渐冻人。该疾病是由于破坏性的神经退行性变和运动神经元缺失所引起,病人肌肉麻痹,一般在发病后2到5年内就会死亡。目前,这种疾病仍然无药可治。

ALS与其他神经退行性变疾病的遗传型和表型有一定的相似性,比如额颞痴呆(frontotemporal dementia,FTD),这种疾病会影响人的性格和语言能力。Mizielinska等研究者发现,在人的9号染色体第72个开放阅读框(C9orf72)上所出现的基因突变是造成ALS和FTD的最常见原因。该突变主要表现为,一个位于C9orf72基因的非编码区域内的六核苷酸重复序列GGGGCC,出现非正常大量扩增。通常情况下,重复序列拷贝数从2到23个不等,但是在ALS和FTD病人体内,这个重复序列拷贝数达到了上百个甚至上千个之巨。研究者认为正是这些重复,组成了致病区域,并开始对突变的致病机制及后续的治疗策略进行深入的研究。

关于这些GGGGCC重复序列的致病原理,目前主要有三类假说。第一类认为,如此多的重复序列可能会干扰C9orf72基因的表达,产生不利影响。第二类假说认为,GGGGCC序列的转录本(同时还有GGGGCC序列反义链转录本)可能会在某些RNA位点聚集,阻断RNA结合蛋白,破坏RNA功能。最后一类假说认为,在RNA的六个阅读框中的重复序列(正义链和反义链)都会被翻译进入蛋白,且不依赖于起始密码子ATG。这种与重复序列RNA翻译过程会产生数类二肽重复区域,包括甘氨酸-丙氨酸(glycine-alanine , GA)、甘氨酸-脯氨酸(glycine-proline, GP)、脯氨酸-丙氨酸(proline-alanine, PA)、甘氨酸-精氨酸(glycine-arginine, GR)和脯氨酸-精氨酸(proline-arginine, PR)。二肽多聚蛋白很容易自我聚集,并在脑部区域富集。当然,这三个假说机制并不互相排斥,但是每类假说的角色,对于开发药物非常重要。

为了确认这些重复RNA序列和二肽的致病性,Mizielinska等人重构了一类重复序列RNA重组子,他们每隔12个重复就在RNA的正义链和反义链上都构建一个终止子。理论上讲,用这种方法构建的重组子可以正常转录RNA,但是无法翻译二肽多聚蛋白。但是Mizielinska等人发现,正常的重复序列和构建的重复序列都会形成GGGGCC重复序列特有的G-四联体产物,这表明这种构建策略不会影响重复结构,野生的和构建的重组子依然会结合到神经细胞的RNA上。研究者接下来又对果蝇进行了转基因改造,使其表达野生的或重构的重复序列。结果发现,在果蝇眼部,野生型重复序列会造成RNA降解,但是重构的重组子不会产生这样的效果。在成年果蝇的神经系统内表达野生型重复序列会引起中毒反应,但是重构的重组子没有效果。使用放线菌酮阻断果蝇RNA翻译会部分抑制野生型重复序列的作用,表明它所引起的中毒反应与翻译有关。Mizielinska等人认为,GGGGCC重复序列不是通过RNA,而是通过其大量的翻译产物引发了中毒反应。

为了确认C9orf72重复序列所产生的五种二肽中,哪一个才是引起神经退行性变的真凶,Mizielinska等人又为每种二肽单独构建了转基因果蝇。因为密码子简并性,他们不是用GGGGCC序列翻译二肽,而是使用无重复序列密码子。五种二肽中,GR和PR会在果蝇眼部及神经系统中引起中毒反应及其他不良症状,其他的不会有毒性,但是GA二肽在更年长果蝇中会产生毒性。

Kwon等人同样发现GR和PR会引起中毒反应,但是他们提出了一个新的假说来解释GR和PR与FTD和ALS发病机理的联系。他们从更广泛的角度研究了ALS和FTD两个最令人激动的新理论之间的联系:C9orf72核苷酸重复序列的非正常扩增和RNA结合蛋白富集低复杂度序列(如二肽多聚蛋白)形成复合体,进入水凝胶内。这些蛋白很多都含有丝氨酸-精氨酸多聚区域,通过对该区域丝氨酸残基的磷酸化调控,可以控制其与水凝胶的结合。丝氨酸残基被磷酸化时,SR多聚蛋白从水凝胶释放。SR多聚蛋白上多数突变都是丝氨酸突变为甘氨酸,从而阻止磷酸激酶的作用,突变的SR多聚蛋白将无法再从水凝胶中被释放。

Kwon发现,一些C9orf72重复序列产生的二肽产物类似于突变的SR域(比如GR和PR),于是他们提出一个有趣的假设:这些产物与水凝胶结合,但是不受磷酸激酶的调控,它们可以阻塞一些含有SR多聚区域的RNA结合蛋白在细胞内传输信息。这种对信息流动的阻碍会引起细胞功能紊乱,在ALS和FTD发病过程中可能加剧神经退行性变。实验结果证明,GR或PR两类二肽产物会结合到hnRNPA2水凝胶,对磷酸激酶有抗性(就像突变的SR域)。当Kwon将这些GR和PR蛋白加入野生细胞,它们会进入细胞核,引起细胞死亡。

为了确定GR和PR在核内定位及它们引起中毒反应的原因,Kwon把PR加入到培养的星形胶质细胞(ALS关键细胞)里,并进行了RNA测序。它们鉴定出大量可变剪切、mRNA表达量变化及大量核糖体RNA(rRNA)损伤。这些结果表明,C9orf72重复的二肽产物进入核仁,阻碍多种RNA生物进程,诱发疾病。Kwon等人假设,GR和PR二肽多聚产物的精氨酸富集区域模仿核定位信号,促进他们进入核内,对RNA生物合成进行破坏。起初,RNA合成通路的损伤可能较小,但随着时间流逝,这种损伤也会不断累积,并最终发展为神经退行性变。

Mizielinska等和Kwon等人的研究充分证明二肽毒性是造成神经退行性变的主要诱因。目前最大的挑战是,解释二肽多聚产物所造成神经中毒的机制及确定致病二肽产物。另一位研究者Su等人在其近期研究中从病人脑脊液中检测和分析二肽产物,通过这种方法,对疾病相关二肽进行分析,在临床实验中可以用于评估靶向非正常重复RNA序列治疗手段的效果。

对二肽产物分子机制的研究,可以催生ALS和FTD等疾病新的治疗策略,会有更多的方法用于特异性阻止致病二肽产物产生,或者将其转化为无毒替代物。或许在不远的未来,渐冻人将不再无药可救。

相关文献:

West J P, Gitler A D. Clogging information flow in ALS[J]. Science, 2014, 345(6201): 1118-1119.

Kwon I, Xiang S, Kato M, et al. Poly-dipeptides encoded by the C9orf72 repeats bind nucleoli, impede RNA biogenesis, and kill cells[J]. Science, 2014, 345(6201): 1139-1145.

Mizielinska S, Grönke S, Niccoli T, et al. C9orf72 repeat expansions cause neurodegeneration in Drosophila through arginine-rich proteins[J]. Science, 2014, 345(6201): 1192-1194.

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