《Nature》！渐冻人霍金有救了！南加州大学揭示最新ALS机...

admin

引言
近日，一组来自南加州大学的研究人员在最新一期著名期刊《自然-医学》发表一篇重磅研究文章，发现C9ORF72基因的GGGGCC重复扩增导致肌萎缩侧索硬化症（ALS）全新机制，并筛选出相关的治疗小分子化合物。
这个世界对渐冻症的关注还是太少！纵然有多情的文艺小青年写出催人泪下的渐冻人故事，极尽煽情文笔，刻画渐冻症导致的种种人生悲剧，瞬间让人悲天哭地，恨不得要像荆轲刺秦王一般治一治这个让人痛恨的绝症。然而，殊不知，人类最大的特点便是：忘记！瞬间悲情的感动之后，一切便如云烟，消逝在风中！此时此刻，该摆摊的摆摊儿，溜圈儿的继续溜圈儿，就当一切没有发生过。然而，有一群人却是例外，这群人就是研究渐冻症的人！



▲美国南加州大学Justin K Ichida博士领导的这项研究发表在著名医学期刊《自然-医学》上面（图片来自Nature）近日，一组来自南加州大学的研究人员在最新一期著名期刊《自然-医学》发表一篇重磅研究文章，发现C9ORF72基因的GGGGCC重复扩增导致肌萎缩侧索硬化症（ALS）的新机制，并筛选出相关的治疗小分子化合物，为ALS的治疗带来了新希望【1,2】。

▶女儿太娇气

◀渐冻症，学术一些的名称叫做肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateralsclerosis，ALS）。这是一种高死亡率的成年神经退行性疾病，这种疾病在不知不觉中发病，表现为肌肉的逐渐萎缩，患者会慢慢地失去自主活动的能力，像是被冻住了一样，然后逐渐丧失交流、进食或呼吸的功能，大多数患者会因呼吸衰竭在3～5年内去世。目前仍无有效的治疗药物和方案，其致病机制仍然不清楚，可能有多种原因，涉及到异常蛋白质聚集、轴突运输缺陷、氧化损伤、钙稳态的改变、内质网(ER)应力等。



▲著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金，一个立志于解开宇宙之谜的人，更让人佩服的是，他只能坐在轮椅上思考，连说话都很困难，是什么力量在支持着他孜孜不倦的宇宙探索呢？（图片来自网络）我们组熟悉的恐怕就是《时间简史》一书的作者著名物理学家斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking）了，他也患有这种病，在轮椅上已经躺了几十年。当然，我们还熟悉新闻里面广泛报道的《北大“渐冻症”女博士的最后87天》。这位名叫娄滔的女孩儿，进入北京大学历史学系，攻读2015级博士生学位，不幸的是，在2015年下半年，她就被检查出患有肌萎缩侧索硬化症ALS，最后因此而遗憾离世。


▲娄滔生前照片，她的事迹唤起了人们对于ALS的关注（图片来自网络）ALS犹如死神一般，它的到来可以说是无声无息。北京大学第三医院神经科主任樊东升说到：“ALS患病初期很少有疼痛的感觉，但患者神经细胞支配骨骼肌的能力受到影响。他们会出现一些细微的症状，如走路磕绊、行动笨拙和口齿不清。而这些症状常常会被忽视。”娄滔最初发病是在2015年暑假。一天，她告诉父亲娄功余自己上楼梯没有力气。父亲并没有放在心上，还认为是女儿“太娇气”。9月开学之后没几天，娄滔又打电话给母亲，说腿部开始抽筋，腰也疼，母亲怀疑她缺钙，让她吃点钙片。后来又过了一个月，娄滔突然发现左脚脚尖踮不起来了。这时候，娄功余和妻子才觉得不对劲，赶到北京带着女儿做检查，最终确诊。


▶过去的研究◀近一个半世纪以来，ALS的复杂性仍使研究人员深感困惑。在过去10年里，精准的测序技术使我们在生物学层面对疾病有了更深的了解。大多数家族性ALS患者有50%的几率把疾病传给下一代。关于ALS的第一个遗传学发现，是在1993年确认了SOD1基因突变，约20%的家族性ALS患者都携带有这种突变。突变导致酶的作用超出了正常范畴，细胞获得了一些新的功能，这种情况被科学家称为毒性功能获得（toxicgainoffunction）。更为严重的是，这些新出现的功能导致了神经元内某些蛋白形态的改变【3】。

ALS研究领域最重要的里程碑出现在2006年，科学家发现了另一种被称为TDP-43的蛋白，在ALS患者体内，TDP-43聚集在细胞质中。于是，他们便着手研究这种蛋白的基因TARDBP基因，并在一些遗传家系中发现了罕见突变。这一重要突破从理论上确定了RNA结合蛋白的这一行为可能导致ALS【3】。

尽管21世纪头十年，ALS的遗传学发现呈现出井喷之势，但最振奋人心的发现此时仍未到来。直到2011年，两个研究团队分别报道了同一个特殊的突变基因C9ORF72。在健康人群中，C9ORF72所包含的一段DNA序列GGGGCC的重复次数为2~23次，但在C9ORF72发生突变的人群中，这个片段的重复次数可达数百次甚至上千次【3】。

随后的研究显示，这些过度重复的序列可以解释40%~50%的家族性ALS病例和5%~10%的散发性病例。更为有趣的是，这一突变的发现使ALS和另一种疾病-额颞叶变性（Frontotemporaldegeneration，FTD）的痴呆症，建立起了遗传学上的联系。研究人员提出了三种细胞机制来解释这个神秘基因的突变是如何导致ALS的【3】：
第一种解释是，DNA重复片段会干扰信使RNA，使其无法完成遗传密码的正常转录和翻译，影响了蛋白的合成；
第二种解释是，重复序列可能会引起RNA的聚集。它们在神经元的细胞核内形成聚集物，捕获RNA结合蛋白（RNA-binding protein），从而使其无法发挥正常功能，导致了毒性功能获得；
第三种解释是，当一个人的C9ORF72基因发生突变，扩增的重复序列被翻译为易在核内聚集的异常蛋白，这种分子生物学改变最终导致了毒性功能获得。然而，C9ORF72基因突变引起ALS是否真如上面的三种设想呢？仅仅说DNA重复片段导致蛋白聚集，但是怎样导致的蛋白聚集或者聚集之后如何产生了毒性，迄今为止，仍然不能完全确定。还有没有其他机制呢？这正是南加州大学Justin K Ichida博士领导的这支研究团队要探索的。

▶数量要足够◀来观看一下这篇研究。研究者们要研究C9ORF72基因发生突变的人的ALS，必然需要足够数量的ALS运动神经元来做实验，由于不能直接从患者的脑袋里面取得细胞，那么，该怎么办呢？诱导多能干细胞技术的一大特点就是解决患者的细胞尤其是脑袋中的细胞不足的问题。首先通过诱导多能干细胞技术（iPS），将C9ORF72基因发生突变ALS患者的血细胞分离出来，进一步诱导成iPS细胞，然后通过干细胞分化技术，分化获得足够数量的C9ORF72基因发生突变的ALS患者来源的运动神经元。

▲这张图中的（a）小图显示在对照组健康人群中，C9ORF72基因所包含的一段DNA序列GGGGCC的重复次数为2~20次，但在C9ORF72基因发生突变的ALS患者中，这个片段的重复次数可达上千次；（b）小图显示研究者们通过iPS干细胞分化技术分化成ALS病人来源的运动神经元（图片来自Nature）

▶C9ORF72蛋白是关键◀有了足够的实验材料，那就开始研究了。研究者们首先培养多个ALS患者来源的运动神经元，发现在体外培养条件下，生存率明显比正常人的运动神经元要低；而一旦添加C9ORF72蛋白（两个异构体A或B，采用逆转录病毒技术过表达）之后，能够明显提升ALS患者来源的运动神经元的生存率，这说明C9ORF72蛋白对维持ALS患者运动神经元具有重要作用。

▲这张图显示ALS患者来源的运动神经元，在体外培养条件下其生存率明显比正常人的运动神经元要低（左）；而添加C9ORF72蛋白（两个异构体A或B）之后，能够明显提升ALS患者来源的运动神经元的生存率（右）（图片来自Nature）

▶囊泡转运和溶酶体发生

◀既然C9ORF72蛋白对维持ALS患者运动神经元的生存必不可少，那么，为何C9ORF72蛋白如此重要呢？是什么原因造成了没有C9ORF72蛋白，运动神经元就会挂掉呢？研究者们继续深挖。原来，没有C9ORF72蛋白之后，就阻断了运动神经元中囊泡转运（vesicle trafficking）和溶酶体的发生（ lysosomal biogenesis）。因此，C9ORF72蛋白在运动神经元中的囊泡转运和溶酶体的发生中起着关键作用。


▲这张图显示没有C9ORF72蛋白之后，就阻断了运动神经元中囊泡转运和溶酶体的发生；（c）C9ORF72基因敲除以及ALS患者的囊泡聚集在一起，图中的红色表示囊泡（采用标志物LAMP1标记），当添加C9ORF72（isoA和isoB）之后，囊泡又能够分散开来；（g）图中黑色圆点表示溶酶体，可以看到，正常组（CTRL2）的溶酶体明显多于C9ORF72基因敲除的以及ALS患者（图片改编自Nature）这还得了，细胞中常常具有“垃圾”蛋白质，比如没有折叠正确的、没有修饰正确的等等蛋白，若是没有囊泡来运输细胞中的这些“垃圾”蛋白质到溶酶体等细胞器降解，它们就会聚集在一起，导致细胞死亡。因此，研究者们终于揭示了一条新的ALS机制，C9ORF72基因的重复片段扩增，导致C9ORF72蛋白减少，这就就阻断了运动神经元中囊泡转运和溶酶体的发生，进而垃圾蛋白质聚集等等因素，导致细胞死亡。

▶小分子化合物◀仅仅知道发生的分子机制还不够，对于ALS这样的疾病而言，还需要加足马力开发相关的药物，因为患者无法等待，你科学家尽可以慢条斯理地研究致病分子机制，然而患者往往在等待药物的过程中丧失生命，所以对于患者而言，管你什么分子机制，就问一句：能不能治？



而这批研究者也秉承这样的思维，管你三七二十一，分子机制也得要搞，但是药物也得要同时筛选，只要具备条件。条件自然是具备的，研究者们由于有ALS患者来源的iPS细胞分化而成的运动神经元细胞，想必数量可以获得相当多，足够筛选药物使用。这正是iPS技术的强大之处，对于药物的初步细胞筛选尤其是相当匮乏的细胞比如神经类的细胞以及心肌细胞等尤为管用。


▲这张图显示研究者们筛选到的两个小分子化合物的结构式（b）；（c）使用小分子化合物YM201636处理ALS细胞之后，能够有效地维持细胞的生存（图中白色的表示运动神经元）（图片改编自Nature）研究者们从800多个候选化合物中，最终筛选到YM201636这个化合物，处理ALS患者来源的运动神经元之后，能够有效地维持其生存。而YM201636是PIKFYVE激酶的抑制子，因此，研究者们继续使用PIKFYVE激酶的另一个抑制子Apilimod来实验，发现也具有效果。这说明，抑制PIKFYVE激酶能够维持ALS患者来源的运动神经元生存，为新的药物靶点开发提供了思路。正如领导这项研究的Justin K Ichida博士所说：“通过了解溶酶体在ALS和额颞叶痴呆中的作用，我们可以更好地针对我们寻找新药或治疗这些毁灭性的疾病的疗法。”期待这些小分子的进一步临床试验。



参考资料：1. Haploinsufficiency leads toneurodegeneration in C9ORF72 ALS/FTD human induced motor neurons.2.https://news.usc.edu/135748/mutation-causes-man-cases-of-als-and-dementia-usc-stem-cell-study-finds/3. Unlocking the Mystery of ALS. ScientificAmerican. 2017
来源：转化医学平台