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原来ALS肌萎缩侧索硬化症的致病元凶竟是……【罕见病并不罕见】

致病基因

当前ALS致病因素公认最相关的是年龄和遗传。年龄因素同时也是很多神经退行性疾病的最大致病风险;遗传性ALS虽然占病患比例仅为5%,但仍有20多个基因被列入ALS的元凶名单。
 
早在1993年,超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1,SOD1)被发现与ALS密切相关,大概20%的遗传性ALS与之相关。正常的SOD1会将细胞产生的具有活性的过氧化物转化成过氧化氢和氧气,而突变的SOD1不能完成这个任务,从而造成神经元氧化损伤,出现神经肌肉功能损伤。

 

罕见病基因:SOD1

突变的SOD1蛋白本身会在细胞内聚集形成内涵体,但在ALS中出现聚集最多的并不是SOD1,而“另有其人”。由于SOD1发现得早,所以相关研究最为丰富,随着对ALS的深入研究,SOD1其他致病机理逐渐被挖掘,包括轴突运输、脊髓毛细管出血、诱发炎症、破坏髓翘等方面。

 

2001年,发现与早发型ALS相关的ALS2,该基因编码的蛋白负责核内体转运;

2002年发现参与RNA加工的SETX

2004年发现与内质网和胞内膜转运相关的VAPB

2006年ANGCHMP2B加入ALS致病基因家族,前者参与RNA加工,后者与核内体转运和自噬相关。

2008年,另一个重要的ALS相关基因浮出水面:TARDBP基因编码的TDP-43 (TAR DNA binding protein 43)

 

TDP-43与AD(阿兹海默病)中的tau,PD(帕金森病)中的α-syn,HD(亨廷顿病)中的htt并称“四大恶人”。TARDBP全名是反式反应DNA结合蛋白4(transactive response DNA-binding protein 4),在遗传性ALS中的占比很小(家族性占比<5%和散发性占比<1%)。但高达97%病患的运动皮层和脊髓中都发现了TDP-43聚集而成的内涵体,这些病患中并没有出现TARDBP的突变,那是怎么回事呢?

 

罕见病基因:TDP-43

TDP-43平时主要参与mRNA相关的工作,比如转录调控,以及mRNA的剪切加工、转运或者代谢等。但在ALS研究中,发现本应该在细胞核内工作的TDP-43大量涌入细胞质,从而导致细胞核内“劳动力”不足,TDP-43负责的mRNA无法加工成成品,同时聚集在细胞质中的TDP-43开始躁动,形成内涵体,危害神经元的正常活动。

罕见病基因:SOD1

图1 TDP-43沉积和ALS的相关基因的陆续发现[1]

 

2009年,发现了FUS(Fused in sarcoma)蛋白和另一个核内体转运融合蛋白FIG4。FUS是一个RNA结合蛋白,它的突变在家族性ALS和散发性ALS中分别占比4%和1%。针对该蛋白的研究,最开始是在脂肪肉瘤领域,作用和TDP-43有些类似,突变能促使各自蛋白发生聚集,从而杀死神经元。

 

再往后,SPG11(胞内转移酶,与轴突生长相关),OPTN(自噬相关),ATXN2(RNA加工),VCP(自噬),SIGMAR1(蛋白酶系统,自噬)和UBQLN2(泛素蛋白酶系统,自噬)等相继被揪出。其中,UBQLN2(2011年发现)位于X染色体上,是目前发现的ALS基因中唯一一个位于性染色体上的基因。

 

2011年,新发现的基因中,真正的主角并不是UBQLN2,而是C9ORF72。C9ORF72片段中的内含子,有个GGGGCC序列发生了400-2000次的重复,而正常该片段的重复在10次以内。这种变异在家族性ALS和散发性ALS中分别占比36.7%和6.3%,另外在家族性FTD(额颞页痴呆)中占比25%,所以遗传性ALS会经常出现FTD的症状。在延髓性ALS中,C9ORF72相关的病患比例高达44%。从该基因的命名可看出,目前致病机理还未明确,有少数报道其参与自噬和内涵体运输。该基因的相关病患大多在欧美,亚洲绝大部分地区相当罕见。

 

之后,陆陆续续发现了近10个与ALS相关的基因,就不一一介绍了。下图是所有ALS基因的详情,标了颜色是热点的,没标颜色的目前研究相对较少。

罕见病基因:SOD1

图2 ALS相关基因信息列表[1]

 

小鼠模型

ALS通过基因编辑或转基因建模比化学诱导模型靠谱,于是很多ALS转基因小鼠应运而生。大部分ALS相关基因是常染色体显性的,所以让转基因小鼠出现症状并不难。

 

SOD1是最早发现的,因此相关的模型小鼠非常多,截至2019年,有接近30种;TARDBP编码TDP-43相关的有超过30种;FUS大概接近10种;其余如UBQLN2、VCP和VABP的动物模型则比较少。

 

那C9ORF72呢?

当然有,该基因的外显子突变是极少的,而致病原因又是内含子中的片段重复,所以一般通过BAC敲入。该基因发现较晚,但由于与ALS相关性最高,所以对它的研究很多。

 

综合目前多种实验结果,科学家们提出了三种关于C9ORF72的假说;

❖过度重复的片段造成该蛋白功能的缺失

❖这些重复所转录的正义和反义RNA产生的毒性

❖这六个碱基编码的二肽重复蛋白产生的毒性

 

对于动物模型的构建,过表达所造成的神经元死亡和运动障碍较明显,可用来模拟中晚期的病情(图3中绿色箭头代表);敲入对小鼠所造成的影响较小,可模拟早中期的病情。

罕见病基因:SOD1

图3  ALS发病率[2]

 

基因敲除小鼠是研究这些基因功能和ALS深层机理的重要工具。在这些基因中,TDP-43纯合敲除小鼠是不可以繁衍的,因为其杂合子表现出对运动神经元有一定的保护作用;而SOD1基因敲除小鼠出现了严重的外周神经疾病。

 

基因敲入小鼠是将突变后的小鼠基因敲入小鼠,仅仅在小鼠原有基因上进行一两处碱基突变,就可以表现出很符合的ALS病理特征。如VCPR155H小鼠,在老龄时有50%的运动神经元死亡,同时在细胞质产生了TDP-43内涵体。而总体而言,敲入模型运动能力的减弱较轻微。

 

人源化小鼠模型随着近几年基因编辑技术的发展而成为热点,是在小鼠原有基因的位置上替换人类对应的基因。如人源化FUSδ14小鼠,会让小鼠细胞中的FUS定位发生紊乱,从而造成运动神经元的死亡。

 

参考文献及引用图片来源:

[1] Al Sultan A, Waller R, HeathP, Kirby J. The genetics of amyotrophic lateral sclerosis: current insights.Degener Neurol Neuromuscul Dis. 2016;6:49-64
[2] Giorgio F D , Maduro C ,Fisher E M C , et al. Transgenic and physiological mouse models give insightsinto different aspects of amyotrophic lateral sclerosis[J]. Disease Models& Mechanisms, 2019, 12(1):dmm037424.

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