一项新的研究在小鼠模型中发现，与修复错配 DNA 相关的基因在 Huntington’s 病中引发最易受损神经元的损伤和触发下游病理及运动障碍方面至关重要，揭示了疾病机制和潜在的新疗法发展方向。
一项新的 UCLA Health 研究在小鼠模型中发现，与修复错配 DNA 相关的基因在 Huntington’s 病中引发最易受损神经元的损伤和触发下游病理及运动障碍方面至关重要，揭示了疾病机制和潜在的新疗法发展方向。
Huntington’s 病是最常见的遗传性神经退行性疾病之一，通常在成年期开始，并随着时间的推移而恶化。患者开始在大脑特定区域失去控制运动、运动技能学习、语言和认知功能所需的神经元。患者在确诊后通常生活 15 到 20 年，症状随着时间的推移而恶化。尚无已知的治愈或改变疾病进程的疗法。
Huntington’s 病的病因在三十多年前被发现——一种“基因停顿”突变涉及 DNA 中三个字母的重复，即胞嘧啶-腺嘌呤-鸟嘌呤（CAG），在一个称为 huntingtin 的基因中。健康个体通常具有 35 次或更少的 CAG 重复，但拥有 40 次或更多重复的突变则会发展成该病。一个人继承的 CAG 重复越多，疾病发作的时间就越早。然而，突变如何导致该病仍不清楚。
Huntington’s 病中的一个长期谜团是，来源于 huntingtin 基因的突变蛋白在身体的每个细胞中都存在，但疾病似乎仅选择性地影响大脑部分区域的某些类型的神经元。这个谜团在 Huntington’s 病和其他许多神经退行性脑疾病中是共同存在的，包括阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症（ALS），尽管每种疾病中易受退化影响的神经元类型不同。解决这一谜团可能会对疾病机制和疗法提供深刻见解。
最近的一个人类遗传研究揭示了基因组中大约十几个 DNA 区域，它们包含了污染 Huntington’s 病的“调节因子”，这些 DNA 变异可能会在多达几年的时间内加速或延缓疾病的发生。有趣的是，这些区域包含多个参与修复 DNA 错配的基因。然而，错配 DNA 修复与 Huntington’s 病中选择性神经元脆弱性之间的机制联系仍然未知。
来自 UCLA Health 和 UCLA Jane 和 Terry Semel 神经科学及人类行为研究所的新研究，发表在《细胞》期刊上，揭示了一组独特的错配修复基因是 Huntington’s 病的关键驱动因素，以及该病如何影响特定类型的神经元。
“我们展示了在 Huntington’s 病患者中作为调节因子的相同 DNA 错配修复基因，仅在小鼠模型中最易受损的神经元中，也能推动快速的发展疾病过程，从而导致一系列疾病表现，”首席作者、UCLA Health 精神病学和生物行为科学系教授、Semel 研究所阿尔茨海默病研究与治疗的 Terry Semel 教席的 Dr. X. William Yang 说。
杨和他的同事使用了重复 140 次 CAG 的 Huntington’s 病模型小鼠（称为 Q140 模型），因为如此长的重复对于观察小鼠模型中的疾病特征是必要的。他们询问是否可以通过基因改变九个来自 HD 患者的调节基因，包括六个错配修复基因，来改变该小鼠模型中的任何疾病表型。尽管 HD 小鼠模型缺乏明显的神经元细胞死亡，这可能与小鼠的短暂生命周期有关，但它们表现出多种高度特异于 HD 易受损神经元的疾病样表型。这些表型包括在纹状体神经元中成千上万基因表达的失调和突变的 Huntingtin 蛋白块（称为聚集体）的积累，这些是 HD 患者大脑中的病理标志物。聚集体首先在纹状体神经元中发生，后来在皮层神经元中发生，并随着时间推移逐渐恶化，模仿疾病的进程。值得注意的是，缺乏一组错配修复基因（尤其是 Msh3 和 Pms1）的 HD 小鼠，纠正了该小鼠模型中绝大部分的基因表达缺陷。此外，它们还部分或完全地阻止了整个大脑中的突变 Huntingtin 聚集体病理。
除了分子和病理益处，该研究还表明，针对 Msh3 可以改善运动和步态缺陷，提高神经元突触蛋白水平，并减少胶质细胞的过度反应。
“我们惊讶地发现，针对这些错配修复基因在 HD 小鼠中的强大和持续效果——这种益处在小鼠中持续时间长达 20 个月，相当于人类大约 60 年，”杨说。“我们的研究表明，这些基因不仅是疾病调节因子，正如之前的研究所暗示的那样，而是 Huntington’s 病的遗传驱动因子。”
错配修复基因如何可能改变 HD 中的疾病过程？最近的研究表明，突变的 Huntingtin CAG 重复在成年大脑细胞中是不稳定的，特别是在如纹状体中等棘神经元（MSNs）这样的易受损神经元中，这种扩展与基因表达变化以及可能的神经元细胞死亡相关。然而，调节因子基因在大脑细胞中的重复扩展中的作用在患者中尚未得到检验。在小鼠模型中，先前的研究显示，错配修复基因在纹状体中赋予高水平的不稳定性，这是大脑最脆弱的区域，但只有一部分重复似乎超越了遗传的等位基因。“我们困惑为什么在缺失 Msh3 或 Pms1 的 HD 小鼠中阻止一部分 CAG 重复扩展会使所有纹状体神经元受益，”研究的共同第一作者 Nan Wang 说。
王设计了一项实验，仅从 MSNs 中纯化核 DNA，这是纹状体中最易受损的神经元，测量突变的 Huntingtin 的 CAG DNA 重复大小。她发现，令人惊讶的是，整个 MSN 群体的重复大小以每月 +8.8 的线性速度增加，12 个月大时重复已超过 220 次。如果在此实验中包括其他纹状体神经元类型或非神经元细胞，绝大多数重复仍保持在 140 次。令人印象深刻的是，删除一份 Msh3 的拷贝后，MSNs 中 CAG 的扩展速率降至 +2.3 次/月，而删除两份 Msh3 的拷贝后，扩展速率基本稳定在 0.35 次/月。
重要的是，这些发现还揭示突变的 huntingtin 聚集需要达到 150 次的 CAG 扩展阈值，并且基因表达失调也与 MSN 中扩展的 CAG 长度高度相关。
“这些显著结果表明，部分错配修复基因在脆弱神经元中推动疾病，因为它们在这些神经元中赋予了 CAG 重复扩展的最快速度，”杨说，“而我们的研究提供了机制联系，帮助将患者的调节基因、错配修复基因驱动的重复扩展和 HD 中的选择性神经元脆弱性联系起来。”
该研究提供了重要的治疗启示。首先，研究测试了 6 个 DNA 错配修复基因，其中只有四个基因似乎在 HD 小鼠模型中的致病机制中强烈（Msh3 和 Pms1）或适度（Msh2 和 Mlh1）调节。有趣的是，这些基因共同编码一个次要的错配修复复合体，从酵母到人类是保守的，但其在酵母中的功能仍未知。此外，虽然 6 个错配修复基因中的 4 个与人类癌症有关，但 Msh3 和 Pms1 并不被认为与癌症相关。该研究还表明，年龄较大的 Msh3 和 Pms1 小鼠没有显著的分子或病理变化。因此，该研究揭示了，通过降低 Msh3、Pms1 的表达水平或复合体形成，靶向编码该次要错配修复复合体的基因可能在 HD 中具有治疗意义。
此外，该研究表明，靶向这些错配修复基因可能对多个大脑区域有益，包括早发性（纹状体）或晚发性（皮层）病理区域。因此，这表明靶向该疾病机制的疗法可能有助于延迟发病或减缓疾病进程。
另外，该研究表明，HD 小鼠模型及其一系列分子、病理和行为表型可以构成一个平台，用于测试针对 HD 调节基因的创新疗法，这些基因涉及 CAG 重复扩展或改善 HD 脆弱神经元的韧性或健康的机制。
遗传性动态 DNA 重复突变影响超过 30 种神经系统疾病，其中一些也发现了可能影响重复不稳定性或疾病严重性的错配修复基因。这些机制发现和模型平台也可能有助于发现其他疾病的疗法。
其他研究作者包括来自 UCLA Semel 研究所神经行为遗传中心和精神病学及生物行为科学系的 Nan Wang、Shasha Zhang、Peter Langfelder、Lalini Ramanathan、Fuying Gao、Mary Plascencia、Raymond Vaca、Xiaofeng Gu、Linna Deng、Leonardo E. Dionisio；来自 UCLA 生物化学系的 Ha Vu、Emily Maciejewski 和 Jason Ernst；来自 UCLA 大卫·格芬医学院人类遗传学系的 Steve Horvath；以及来自 CHDI Management, Inc. 的 Brinda C. Prasad、Thomas F. Vogt、Jeffrey S. Aaronson 和 Jim Rosinski。
这项研究得到了CHDI基金会的支持。其它支持包括 NINDS/NIH 资助（R01NS113612），遗传病基金会以及来自 HD 患者家庭对 X. W. Yang 实验室的捐赠。
