生物物理所等利用干細胞技術揭示帕金森病衰老相關機制

　　隨著世界人口日趨老齡化，中國的老齡化問題更加突出。目前中國有1.7億老齡人口，是世界上老年人口最多的國家，而且人口老齡化的趨勢還在不斷加劇。研究衰老相關疾病的機理以及尋找防治衰老相關疾病的新靶點和新方法對于中國的國情而言顯得尤為緊迫。帕金森病(Parkinson’s Disease, PD)是一種在老齡群體中高發的中樞神經系統退行性疾病，其臨床癥狀包括靜止性震顫和姿勢步態異常等，并可能引發心血管疾病和糖尿病等多種并發癥，嚴重影響患者身心健康、家庭幸福以及社會和諧。

　　目前認為帕金森病是由于中樞黑質紋狀體區多巴胺神經元功能衰退和數目減少，導致興奮性神經遞質多巴胺分泌不足所致。然而，對于帕金森神經細胞退行性病變的原因和發病機理尚不明確，但衰老無疑是帕金森病的重要誘因之一。揭示帕金森病的分子機理，探索衰老因素在其發生發展中的作用，并尋找有效的分子靶標將極大地促進帕金森病的早期診斷、預防與發病后的干預治療。

　　10月17日，國際頂尖學術期刊Nature在線發表了中科院生物物理研究所劉光慧研究組同美國Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte研究組的合作研究論文Progressive degeneration of human neural stem cells caused by pathogenic LRRK2。該研究首次結合多能干細胞和基因組靶向修飾技術揭示了帕金森病神經干細胞隨著衰老過程而發生的退行性病變。這一研究成果為診斷、預防與治療帕金森病提供了新的潛在靶點。

　　研究人員首先向攜帶帕金森病致病基因LRRK2 (G2019S)突變的患者皮膚細胞中導入三個“多能性因子”，從而在體外獲得疾病特異的誘導性多能干細胞（iPSC）。這些iPSC在實驗室中進一步定向分化為目前無法從患者顱內直接獲取的功能性神經干細胞及多巴胺神經元。通過對這些“患者來源的神經細胞”進行細致的研究，劉光慧等發現LRRK2 (G2019S)突變的神經干細胞表現出一系列與“衰老”相關的退行性表型，如對細胞內泛素化蛋白聚集誘導的凋亡更加敏感，以及隨著體外培養時間延長其克隆式生長及向神經元定向分化等“干性”特征逐漸消失等。有趣的是，隨著體外傳代次數的增加，攜帶基因突變的神經干細胞表現出明顯的核膜異常，如核纖層蛋白組成和核膜結構的改變。

　　為了驗證這些新型病理特征與帕金森病致病基因LRRK2突變之間的分子聯系，研究人員通過HDAdV介導的基因打靶技術原位矯正了患者干細胞中的LRRK2 (G2019S)突變。實驗結果表明，矯正后的神經干細胞消除了帕金森病相關的疾病表型。相反，利用打靶技術在正常人胚胎干細胞中定向敲入LRRK2 (G2019S)突變（即體外人工創造出帕金森病胚胎干細胞）則導致疾病相關表型的出現。更為重要的是，通過對臨床帕金森病人死后腦組織的海馬區（人神經干細胞所在部位）進行分析，可見該區神經源性細胞存在廣泛的核膜異常，這與帕金森病iPSC定向分化得到的神經干細胞模型觀察結果相一致。最后，研究人員進一步發現，LRRK2激酶特異性抑制劑可以在體外改善帕金森神經干細胞的異常表型。

　　這一工作首次揭示了核膜異常以及腦內神經干細胞漸進性功能衰退在帕金森病發生發展中的作用。不僅為帕金森病病人患有的認知功能衰退等中樞神經系統癥狀提供了一定的解釋，并且提示了將來在臨床上利用小分子抑制劑藥物或靶向基因修復患者神經前體細胞治療帕金森病的可能性。國際著名帕金森病研究專家Mark Cookson博士高度評價該研究，稱之為“在帕金森病研究領域開辟了一個嶄新的大方向”。

　　該工作依托于中科院生物物理研究所生物大分子國家重點實驗室，同美國Salk研究所、Scripps研究所、UCSD和西班牙CMR[B]等國際機構合作完成。研究受到國家青年千人計劃、中國科學院干細胞與再生醫學戰略先導專項以及基金委等項目資助。

　　劉光慧研究員為本文的共同通訊與第一作者。2011年其研究團隊曾最早利用iPSC模型闡述了兒童早衰癥的分子機理（Nature 2011），并首次利用HDAdV介導的基因組靶向編輯技術矯正了患者iPSC的遺傳缺陷，從而在實驗室中“逆轉”了衰老相關的血管病變（Cell Stem Cell 2011）。2012年，先后在Nature Review Molecular Cell Biology和Current Opinion in Cell Biology等雜志就核膜表觀遺傳調控和iPSC衰老相關疾病模型等議題發表特邀研究綜述。此次對帕金森病神經干細胞核膜病理的揭示是對衰老相關疾病研究和治療做出的又一貢獻。

　　圖. 帕金森病人腦組織海馬區的神經細胞呈現異常的核膜結構