约翰霍普金斯大学的研究人员对老鼠、苍蝇和人类细胞和组织进行了研究,他们报告了新的证据,表明细胞物质进出细胞控制中心——细胞核——的运动中断似乎是亨廷顿病(一种遗传性成人神经退行性疾病)中脑细胞死亡的直接原因。
此外,他们还提出,在实验室里用药物清理这些细胞的“交通堵塞”,恢复了细胞核进出的正常运输,从而挽救了细胞。
在4月5日网上发表的专题文章中神经元,研究人员还得出结论,针对他们在亨廷顿氏病神经元中发现的运输中断的潜在治疗方法也可能适用于其他神经退行性疾病,如肌萎缩侧索硬化症和各种形式的痴呆症。
亨廷顿氏病是一种相对罕见的致命遗传性疾病,它会逐渐杀死大脑中健康的神经细胞,导致语言、思维和推理能力、记忆、协调和运动能力的丧失。它的病程和影响通常被描述为阿尔茨海默病、帕金森氏病和肌萎缩侧索硬化症,使亨廷顿病成为科学研究的丰富焦点。
“我们正试图找到神经退行性疾病背后机制的核心,通过这项研究,我们相信我们已经发现了一个似乎在许多疾病中普遍被破坏的机制,这表明类似的药物可能对部分或全部这些疾病有效,”杰弗里·罗斯坦医学博士说,他是神经学和神经科学教授,也是约翰霍普金斯大学医学院脑科学研究所和罗伯特·帕卡德ALS研究中心的主任。
2015年,罗斯坦的团队发现了一种基因突变——与40%的遗传性ALS病例和25%的遗传性额颞叶痴呆病例有关——是如何阻碍神经元细胞核的进出运输,最终关闭细胞并导致其死亡的。突变基因产生的RNA分子附着在转运蛋白RanGAP1上。RanGAP1反过来帮助分子通过作为细胞核通道的核孔,让蛋白质和遗传物质进出核孔。乔纳森·格里马(Jonathan Grima)目前是罗斯坦实验室的一名四年级神经科学研究生,他了解到,同样的突变也是另一种疾病的最常见原因,这种疾病的患者有类似亨廷顿氏病的症状,但没有亨廷顿氏病的致病突变。此外,他意识到其他研究人员之前已经表明,核孔蛋白NUP62的突变导致了类似亨廷顿病的病理。由于从其他人的研究中获得了这样的线索,Grima承担了调查核运输和核孔问题是否也发生在患有亨廷顿氏病的神经元中的任务。
亨廷顿氏病是由亨廷顿蛋白突变引起的,导致蛋白质序列中氨基酸谷氨酰胺重复过多,使蛋白质粘稠且结块。
格里玛使用了两种患有亨廷顿舞蹈病的小鼠模型:一种具有人类突变的亨廷顿蛋白,另一种具有侵袭性的亨廷顿舞蹈病,只含有小鼠亨廷顿蛋白的第一部分。通过使用与特定蛋白质结合的发光标记的抗体,并在显微镜下观察神经元,Grima发现突变的亨廷顿蛋白与核转运蛋白RanGAP1的异常团块在细胞的同一位置聚集。它还与核孔蛋白NUP88和NUP62的异常团块在相同的位置聚集。格里玛说:“这一发现非常诱人,因为其他研究人员已经证明,NUP62蛋白的突变会导致婴儿形式的亨廷顿氏病,即婴儿双侧纹状体坏死。”
Grima还观察到同样的亨廷顿蛋白与RanGAP1和核孔蛋白在脑组织细胞和培养的亨廷顿病患者的脑细胞中的错误位置聚集。
为了进一步探索核转运在亨廷顿病中的作用,Grima采用实验室培养的小鼠神经元,并使用化学开关a)打开RanGAP1基因的另一个健康拷贝和亨廷顿蛋白的突变版本;b)打开突变的亨廷顿蛋白;或者c)激活健康版的亨廷顿蛋白。
然后,他测量了细胞死亡,发现拥有亨廷顿蛋白健康版本的神经元大约有17%的神经元死亡。只有突变版本的亨廷顿的神经元更容易死亡,大约33%的人死亡,但在突变版本的亨廷顿和RanGAP1的神经元中,只有24%的神经元死亡。研究人员认为,他们引入病变细胞的一些额外的健康RanGAP1没有与突变的亨廷顿蛋白结合,并恢复了正常的核运输。
接下来,Grima观察了健康或突变形式的亨廷顿蛋白,或少量实验药物KPT-350处理过的亨廷顿蛋白突变形式的培养神经元的细胞死亡情况,KPT-350可以阻止核输出蛋白export -1将蛋白质和RNA运送出细胞核。拥有亨廷顿蛋白健康版本的神经元大约有18%死亡,而拥有亨廷顿蛋白突变版本的神经元大约有38%死亡。那些接受核输出阻断药物治疗的人存活率提高了,只有22%的细胞死亡。研究人员说,阻断核输出似乎可以防止细胞死亡,并抵消突变亨廷顿蛋白神经元的缺陷。
格里玛说:“我们的研究表明,核传输机制的故障部件会导致大脑神经元内重要信息的交通堵塞,最终导致脑细胞死亡。”“我们相信重建适当的细胞运输可以为亨廷顿氏病以及其他潜在的神经退行性疾病提供一个有希望的治疗靶点。”
“尽管在多种神经退行性疾病中,核运输中断似乎会杀死神经元,但这些疾病具有非常不同的特性和症状,”罗斯坦警告说。“我们需要做更多的工作来找出为什么一种疾病会引起某些症状,而另一种疾病会引起其他症状,这与核运输的情况有关。”
据研究人员称,每个细胞平均有2000个核孔,每个核孔由30多种不同蛋白质的多个副本组成,每种蛋白质都有不同的功能。可能是神经元和其他类型的脑细胞(如神经胶质细胞)上的核孔是由这些蛋白质的不同组合构成的,其中一些蛋白质在各种神经退行性疾病中或多或少起着关键作用。
Grima目前正在利用约翰霍普金斯大学开发的一种新的小鼠模型来回答这个问题,这将使他能够从小鼠大脑的不同细胞类型中分离出这些核孔蛋白,以确定这些核孔成分是否实际上是基于脑细胞类型和大脑位置的不同。
格里玛说:“我们真诚地希望我们的新发现可以帮助我们更接近治疗这种疾病和潜在的其他可怕的神经退行性疾病。”
根据美国亨廷顿舞蹈症协会的数据,美国约有3万人患有亨廷顿舞蹈症,20万人有从父母那里遗传这种疾病的风险。
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