肌萎縮性脊髓側索硬化癥(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS),又被稱作盧伽雷氏癥,也就是最近被大家所關注的漸凍人。該疾病是由于破壞性的神經退行性變和運動神經元缺失所引起,病人肌肉麻痹,一般在發病后2到5年內就會死亡。目前,這種疾病仍然無藥可治。
ALS與其他神經退行性變疾病的遺傳型和表型有一定的相似性,比如額顳癡呆(frontotemporal dementia,FTD),這種疾病會影響人的性格和語言能力。Mizielinska等研究者發現,在人的9號染色體第72個開放閱讀框 (C9orf72)上所出現的基因突變是造成ALS和FTD的最常見原因。該突變主要表現為,一個位于C9orf72基因的非編碼區域內的六核苷酸重復序列GGGGCC,出現非正常大量擴增。通常情況下,重復序列拷貝數從2到23個不等,但是在ALS和FTD病人體內,這個重復序列拷貝數達到了上百個甚至上千個之巨。研究者認為正是這些重復,組成了致病區域,并開始對突變的致病機制及后續的治療策略進行深入的研究。
關于這些GGGGCC重復序列的致病原理,目前主要有三類假說。第一類認為,如此多的重復序列可能會干擾C9orf72基因的表達,產生不利影響。第二類假說認為,GGGGCC序列的轉錄本(同時還有GGGGCC序列反義鏈轉錄本)可能會在某些RNA位點聚集,阻斷RNA結合蛋白,破壞RNA功能。最后一類假說認為,在RNA的六個閱讀框中的重復序列(正義鏈和反義鏈)都會被翻譯進入蛋白,且不依賴于起始密碼子ATG。這種與重復序列RNA翻譯過程會產生數類二肽重復區域,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,并在腦部區域富集。當然,這三個假說機制并不互相排斥,但是每類假說的角色,對于開發藥物非常重要。
為了確認這些重復RNA序列和二肽的致病性,Mizielinska等人重構了一類重復序列RNA重組子,他們每隔12個重復就在RNA的正義鏈和反義鏈上都構建一個終止子。理論上講,用這種方法構建的重組子可以正常轉錄RNA,但是無法翻譯二肽多聚蛋白。但是Mizielinska等人發現,正常的重復序列和構建的重復序列都會形成GGGGCC重復序列特有的G-四聯體產物,這表明這種構建策略不會影響重復結構,野生的和構建的重組子依然會結合到神經細胞的RNA上。研究者接下來又對果蠅進行了轉基因改造,使其表達野生的或重構的重復序列。結果發現,在果蠅眼部,野生型重復序列會造成RNA降解,但是重構的重組子不會產生這樣的效果。在成年果蠅的神經系統內表達野生型重復序列會引起中毒反應,但是重構的重組子沒有效果。使用放線菌酮阻斷果蠅RNA翻譯會部分抑制野生型重復序列的作用,表明它所引起的中毒反應與翻譯有關。Mizielinska等人認為,GGGGCC重復序列不是通過RNA,而是通過其大量的翻譯產物引發了中毒反應。
為了確認C9orf72重復序列所產生的五種二肽中,哪一個才是引起神經退行性變的真兇,Mizielinska等人又為每種二肽單獨構建了轉基因果蠅。因為密碼子簡并性,他們不是用GGGGCC序列翻譯二肽,而是使用無重復序列密碼子。五種二肽中,GR和PR會在果蠅眼部及神經系統中引起中毒反應及其他不良癥狀,其他的不會有毒性,但是GA二肽在更年長果蠅中會產生毒性。
Kwon 等人同樣發現GR和PR會引起中毒反應,但是他們提出了一個新的假說來解釋GR和PR與FTD和ALS發病機理的聯系。他們從更廣泛的角度研究了ALS和 FTD兩個最令人激動的新理論之間的聯系:C9orf72核苷酸重復序列的非正常擴增和RNA結合蛋白富集低復雜度序列(如二肽多聚蛋白)形成復合體,進入水凝膠內。這些蛋白很多都含有絲氨酸-精氨酸多聚區域,通過對該區域絲氨酸殘基的磷酸化調控,可以控制其與水凝膠的結合。絲氨酸殘基被磷酸化時,SR多聚蛋白從水凝膠釋放。SR多聚蛋白上多數突變都是絲氨酸突變為甘氨酸,從而阻止磷酸激酶的作用,突變的SR多聚蛋白將無法再從水凝膠中被釋放。
Kwon 發現,一些C9orf72重復序列產生的二肽產物類似于突變的SR域(比如GR和PR),于是他們提出一個有趣的假設:這些產物與水凝膠結合,但是不受磷酸激酶的調控,它們可以阻塞一些含有SR多聚區域的RNA結合蛋白在細胞內傳輸信息。這種對信息流動的阻礙會引起細胞功能紊亂,在ALS和FTD發病過程中可能加劇神經退行性變。實驗結果證明,GR或PR兩類二肽產物會結合到hnRNPA2水凝膠,對磷酸激酶有抗性(就像突變的SR域)。當Kwon將這些 GR和PR蛋白加入野生細胞,它們會進入細胞核,引起細胞死亡。
為了確定GR和PR在核內定位及它們引起中毒反應的原因,Kwon把PR加入到培養的星形膠質細胞(ALS關鍵細胞)里,并進行了RNA測序。它們鑒定出大量可變剪切、mRNA表達量變化及大量核糖體RNA(rRNA)損傷。這些結果表明,C9orf72重復的二肽產物進入核仁,阻礙多種RNA生物進程,誘發疾病。Kwon等人假設,GR和PR二肽多聚產物的精氨酸富集區域模仿核定位信號,促進他們進入核內,對RNA生物合成進行破壞。起初,RNA合成通路的損傷可能較小,但隨著時間流逝,這種損傷也會不斷累積,并最終發展為神經退行性變。
Mizielinska等和Kwon等人的研究充分證明二肽毒性是造成神經退行性變的主要誘因。目前最大的挑戰是,解釋二肽多聚產物所造成神經中毒的機制及確定致病二肽產物。另一位研究者Su等人在其近期研究中從病人腦脊液中檢測和分析二肽產物,通過這種方法,對疾病相關二肽進行分析,在臨床實驗中可以用于評估靶向非正常重復RNA序列治療手段的效果。
對二肽產物分子機制的研究,可以催生ALS和FTD等疾病新的治療策略,會有更多的方法用于特異性阻止致病二肽產物產生,或者將其轉化為無毒替代物。或許在不遠的未來,漸凍人將不再無藥可救。
相關文獻:
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, Gr?nke 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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