淺談亨廷頓舞蹈癥研究現狀范文

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摘要：亨廷頓舞蹈癥是神經退行性疾病中最重要的單基因遺傳病之一,其清晰的遺傳學圖景為該疾病的研究提供了獨特優勢。近年來,亨廷頓舞蹈癥的機制及潛在治療方法的研究取得了突破性進展,并且為類似疾病(例如阿爾茲海默氏癥、帕金森氏癥及共濟失調等)的研究提供了思路。該文主要對上述進展作一簡單綜述。

關鍵詞：亨廷頓舞蹈癥;神經退行性疾病;HTT;polyQ;蛋白質降解;遺傳學篩選;基因治療

1亨廷頓病簡介

神經退行性疾病(neurodegenerativedisorders)是一類引起中樞神經元進行性死亡喪失進而逐漸導致神經系統功能障礙直至崩潰的嚴重疾病。其多見于中老年人,造成巨大的社會負擔。隨著中國老齡化加劇,神經退行性疾病研究的重要性也與日俱增,然而迄今為止,國內外都沒有發現治本的治療方法。目前研究最多的神經退行性疾病主要有阿爾茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD)、帕金森氏病(Parkinson’sdisease,PD)、肌萎縮側索硬化(amyotrophiclateralsclerosis,ALS)和亨廷頓病(Huntington’sdisease,HD),并稱四大神經退行性疾病。HD是其中最主要的單基因遺傳病,由基因HTT的突變引起,其清晰的遺傳圖景帶來了兩個優勢:首先,HD可以用過對HTT基因的測序早期診斷,從而為早期治療提供了可能性,因為治療時機太晚難以挽救已經死亡萎縮的神經元,導致治療效果不佳;第二,清晰的遺傳圖景使得科學家容易建立較好的遺傳學模型,從基因型到表型模擬疾病,為揭示疾病根本機制提供了便利。因此,盡管HD發病率相比AD及PD較低,但對其機制及治療的研究更有可能取得突破。另一方面,HD的臨床表現及分子信號通路異常與AD、PD等非常接近,并且都與蛋白質錯誤折疊及積累有關。因此,HD的研究也將為AD、PD等神經退行性疾病發病機制的研究提供重要信息。HD的臨床癥狀主要表現為舞蹈樣不自主動作(晚期則運動能力逐漸喪失)、精神障礙和進行性認知障礙[1]。HD多發生于中年人,平均發病年齡40~50歲,但也偶見于兒童和青少年,稱為青少年亨廷頓病。世界范圍內的HD發病率約為萬分之一,男女及各人種均可患病,主要引起紋狀體神經元退行萎縮,疾病癥狀緩慢進行性加重,患者平均生存期為10~20年[1]。HD于1872年首次由醫生喬治∙亨廷頓(GeorgeHuntington)系統性描述并命名[2]。亨廷頓醫生通過對一個亨廷頓病家系幾代人的醫療記錄的研究,準確而細致地闡述了亨廷頓病符合常染色體顯性遺傳規律的表現[2],而這甚至早于孟德爾遺傳定律被“重新發現”。之后近百年,科學家試圖揭示HD的遺傳學原因,并最終于1993年發現了其致病基因HTT(也被稱為IT15)[3]。HTT基因位于四號染色體,在其一號外顯子(exon1)區域有一段CAG重復序列。正常人群中這一重復序列的長度為6~35個重復,如果擴增超過40個重復序列,則會導致發病,出現運動癥狀。如果在36~39,一部分患者會發病,一些患者會繼續保持無癥狀狀態[1]。自1993年致病基因HTT被發現以來的25年間,科學家在HD研究領域產生了一系列重要突破。下面從HD的疾病模型、核心機制以及治療手段這三個角度,對25年以來的進展作一簡單綜述。

2亨廷頓病的疾病模型

HD尚無任何根本性治療手段,疾病發生及發展機制也不清楚。目前僅有個別癥狀改善型藥物,而且一定時間后會因為產生抵抗性而失去效果。由于疾病治療手段及藥物必須首先在動物模型上進行篩選和驗證,建立能準確模擬疾病表型及病理的細胞及動物模型對開發有效的疾病治療手段至關重要。

2.1HD小鼠模型HD的小鼠模型主要分為兩類。第一類主要通過轉基因過表達mHTT的N-端片段,包括表達變異HTTexon1對應蛋白片段的R6/2及R6/1模型[4]以及表達更長片段的N171-82Q模型等[5]。這些N-端片段均包含mHTT中的polyQ序列,而亨廷頓蛋白片段化(fragmentation)可能是疾病發生的關鍵性步驟[6],其產生的N-端片段被發現具有高毒性,并且易聚集[7]。然而,此類模型由于只具有變異HTT基因的5′端序列,且往往有多個拷貝,在遺傳學方面與HD病人不一致。此外,此類模型的表型往往出現早(幾周至十幾周),這與大多數HD病人也不一致。第二類HD小鼠模型表達全長的mHTT。一種方式是通過人工染色體(artificialchromosome)的方法表達轉基因的人源mHTT,主要包括YAC128(利用酵母人工染色體)及BACHD(利用細菌人工染色體)兩種模型[8-9]。這種方式的優點在于其表達人源基因,并且包含了HTT基因在人類基因組中所有相關元件(包括啟動子、內含子等基因組序列);缺點在于依然屬于轉基因模型,多了若干變異HTT基因的拷貝而并未減少野生型HTT拷貝數,與病人基因型不吻合。另一種表達全長mHTT的方式是把小鼠基因組的Htt基因中exon1替換成包含長CAG重復的病人HTT基因的exon1,以此表達mHTT。這種方式屬于基因敲入(knockin,KI),利用小鼠內源性Htt啟動子表達mHTT蛋白,而且替換了小鼠原有的野生型,這在遺傳學上最接近HD病人。KI模型按照不同的CAG重復數常用的有Q140、Q150、Q175等幾種[10-15]。如上所述,這類模型從遺傳學角度與病人最接近,但是也有缺陷。最主要的缺陷是其表達的變異HTT基因除exon1及部分intron1以外,完全是小鼠的HTT同源基因Htt,這種物種差異性對機制及治療研究可能會造成潛在問題。小鼠模型用于HD研究的優勢在于其研究工具全面,遺傳型及表型與病人高度吻合。如后文即將提到的,HD小鼠模型為HD機制及治療研究提供了關鍵信息。例如,HD的反義寡聚核苷酸(ASO)治療就是基于在小鼠模型上獲得的關鍵數據,進一步在臨床上取得了初步成功。

2.2HD大動物模型小鼠模型盡管有各種優勢,但也存在嚴重缺陷。HD小鼠模型并不能明顯表現出紋狀體神經元選擇性死亡這一重要病理特征。此外,小鼠大腦沒有溝回等更高等動物大腦才具有的特征,用于模擬大腦疾病存在先天不足。而且小鼠的體型與人相差很遠,無法進行有效的藥物動力學及代謝實驗。為了彌補缺陷,科學家建立了一系列大動物HD模型。利用慢病毒注射卵細胞的方法表達攜帶84個CAG重復的HTT基因exon1的方法,李曉江教授及李世華教授曾與Yerkes國家靈長類動物研究中心的AnthonyChan合作在2008年報道建立了HD的恒河猴模型[16]。成功存活的恒河猴表現出肌張力障礙和舞蹈癥等HD表型,但由于表型太過嚴重,只存活了6個月,且無法傳代以獲得穩定模型[16]。利用顯微注射受精卵轉入攜帶73個CAG重復的HTT全長cDNA的方法所構建的HD羊模型出現了一些分子水平的HD病理變化及代謝表型,但未觀察到明顯的神經體系功能方面的疾病表型[17-20]。另一類極具前景的模型是HD的豬模型。豬的體型大小、各系統發育以及代謝等都與人的情況極其相似;豬的大腦具有溝回,大小與人較為接近。因此,豬的腦疾病模型具有獨特優勢,更容易轉化為臨床應用。最早的HD豬模型通過轉基因過表達mHTT的N-端片段構建[21],但同樣由于表達外源性治病基因片段毒性過強,動物出生后存活時間很短,無法將致病基因傳代,獲得穩定模型。為了建立能更準確地模擬神經退行性疾病的動物模型,研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術將人的突變HTT基因插入到豬的內源性基因中,并利用體細胞核移植技術,建立了HD的基因敲入豬模型(KI)。這樣沒有引入外源轉基因,而是直接把內源性的野生型基因變成了疾病型,使得疾病動物的HD基因型與HD病人完全吻合[22]。針對該模型的進一步研究發現,該模型能夠很好地模擬HD患者在大腦中紋狀體中間多棘神經元選擇性死亡的典型病理特征[22],這是小鼠模型所不具備的。此外,該模型也能表現出類似HD的體重下降及行為異常,例如步態異常等表型。更重要的是,這些病理特征及行為異常都可以穩定地遺傳給后代[22]。這不僅模擬了HD病人的真實情況,也為疾病藥物研發提供了穩定的疾病大動物模型來源。2.3HD的其他動物模型及細胞模型除了上述的HD小鼠模型與大動物模型,其他HD動物模型,例如HD酵母模型[23]、HD線蟲模型[24]、HD果蠅模型[12]、HD斑馬魚模型[25]等,也都被建立并用于HD的機制及治療研究。這些模型也具有特定的優勢,例如表型檢測實驗通量高、周期短、易于進行高通量篩選等。除了動物模型,HD細胞模型也非常重要。盡管細胞模型無法模擬體內的情況,導致其對疾病機制及表型的模型受限,但細胞模型也有其不可替代的優勢。一方面,細胞模型易于實驗,并且觀察細胞死亡等表型更為直接;另一方面,動物與人類之間存在物種差異。因此,人類細胞模型從物種角度可以更好地模擬疾病。由于HD是神經疾病,因此病人來源的神經元模型是模擬疾病的最好模型。由于病人神經元無法獲得,因此,主要的HD人類神經元模型來自于人類胚胎干細胞(ESC)或者誘導干細胞(iPSC)分化的中間多棘神經元[26-27]。近期發展的成纖維細胞直接轉分化技術則被發現可以更好地模擬疾病狀態[28],因為這種方法沒有經過誘導干細胞這一步,保留了成纖維細胞獲得時的衰老狀態,這對模擬HD這類衰老相關的神經疾病非常重要。綜上所述,HD有各物種的動物模型(主要模型總結如表1)及細胞模型,從遺傳學到表型方面對HD病人都有較好的模擬。這些模型各具優勢,為HD的發病機制及治療研究提供了有力工具。

3亨廷頓病發病機制

3.1HD是一種功能獲得型基因突變引起的遺傳病HD是一種常染色體單基因顯性遺傳病,由HTT基因序列的突變引起。單基因突變引起疾病的根本原因可能是突變基因產物功能喪失(lossoffunction,功能喪失型),或者突變基因產物獲得新的功能(gainoffunction,功能獲得型)。區別兩者是進一步研究疾病機制及可能治療策略的前提。在小鼠遺傳學模型中獲得的實驗證據表明,HD主要是一種功能獲得型疾病,主要證據體現在兩個方面。首先,Htt基因的缺失(敲除)并不能引起HD的類似表型。Htt的完全敲除在小鼠中盡管胚胎致死,但沒有引起神經特異的死亡,與HD細胞表型不一致[29-31]。雜合敲除小鼠基因Htt或者利用基因編輯技術敲除四月齡以上的成年小鼠的Htt并未引起HD相關表型[29,32-33]。另一方面,表達變異HTT基因的轉基因小鼠,例如BACHD及YAC128模型,在保留原有野生型HTT基因表達的情況下,仍然導致HD相關表型[8-9]。近年來針對野生型HTT(wtHTT)的條件敲除的研究則表明,wtHTT的喪失也可能會通過影響選擇性自噬等引起細胞毒性,參與疾病發生[34-35],但絕大部分證據依然指向HD是功能獲得型疾病。

3.2可溶性mHTT蛋白是導致HD的主要源頭變異HTT基因表達的變異HTT蛋白(mHTT)具有神經毒性,從而導致HD[36]。而近期研究發現,變異HTT基因表達的RNA可能通過重復序列非ATG起始的翻譯(RAN-translation)產生除了變異HTT蛋白之外的其他帶氨基酸重復的蛋白(包括帶polyAla、polySer、polyLeu和polyCys的蛋白),而這些蛋白的表達可能也會引起細胞毒性,參與疾病的發生[37]。除了蛋白之外,變異HTT基因表達的RNA,由于具有對應的GUC重復序列,也可能通過相變(phase-transition)等機制引起毒性,參與疾病的發生[23,38]。但這一假說目前還缺乏可靠的功能性證據。盡管近年來發現了以上這些可能參與HD產生及發展的新的源頭分子,但絕大部分證據依然指向mHTT是HD產生的主要源頭。例如,BACHD小鼠模型中表達的變異HTT基因用CAA置換了CAG重復序列中近一半的CAG序列,這從原理上阻止了RAN-translation產物以及包含過長GUC重復序列的RNA產物的生成。該模型依然表現出明顯的HD相關表型,并且發病的相對時間與HD病人類似,證明mHTT蛋白可能才是導致疾病的主要原因[9]。因此,mHTT為何產生神經毒性最終導致HD是疾病機制研究的核心問題。mHTT與wtHTT的氨基酸序列幾乎完全一樣,只是其在靠近N-端的一段多聚谷氨酰胺重復(polyQ)比野生型長。因此,mHTT引起神經毒的關鍵可能是其過長的polyQ,但機制不明。過長polyQ引起神經毒性的原因最早被歸咎于蛋白可溶性的變化。HTT被發現在體外和細胞內均可形成寡聚體和不可溶的蛋白聚集[39],而過長的polyQ會顯著增加不可溶蛋白形式聚集的速度[40]。這種生物物理性質的改變,可能造成mHTT的神經毒性。但是,近年來的證據表明,可溶性的mHTT蛋白才是導致疾病的主要種類。首先,可溶性mHTT會引起內質網應激、線粒體自噬、氧化應激等毒性細胞反應[41-43]。與此一致,可溶性mHTT而非mHTT聚集體,與多個轉錄因子存在相互作用[44]。更加直接的證據來自于針對細胞死亡的直接研究。HD大鼠神經元在沒有不可溶mHTT聚集體形成時已發生死亡,并且死亡時間與可溶性mHTT的水平顯著相關[45]。我們在HD人類干細胞分化神經元模型的研究中也有類似的發現[27]。綜上所述,可溶性mHTT可能是產生細胞毒性導致HD的主要蛋白。因此,可溶性mHTT中過長的polyQ導致細胞毒性的結構基礎,是回答HD源頭分子機制的關鍵問題。

3.3mHTT蛋白中polyQ構象的“多態性”可能是其導致細胞毒性的構象基礎科學家對于上述問題提出了兩種可能的模型加以解釋。第一個模型被稱為“線性格柵模型(linearlatticemodel)”:polyQ長鏈由相同的結構單元組成,而polyQ的結構單元可能本身就自帶毒性(intrinsictoxicity),polyQ越長,蛋白的細胞毒性越強,達到一定程度就會造成疾病。簡單來說,即polyQ中具有線性排列的含有內在毒性的結構單元[46]。第二種可能的模型是“毒性構象浮現模型(emergentconformation)”,即變異蛋白的polyQ長度達到一定閾值之后,會出現與“線性排列的結構單元”不同的新的構象單元,而這種新的構象單元的出現是導致神經毒性的主要原因。這種解釋并沒有否定線性格柵模型,只是推測除了線性格柵構象之外,polyQ長鏈上還出現了真正具有毒性的“浮現構象”,因此是多種構象的混合[47]。兩種模型最大的爭議在于變異蛋白中過長的polyQ是否存在多種不同的構象,也就是構象是否存在多態性。兩種模型均有一些間接證據證明[48],但缺少直接的結構生物學證據。由于可溶性差以及polyQ構象的不穩定,mHTT蛋白的結構非常難于被解析。2016年,韓國結構生物學家利用冷凍電鏡針對HTT蛋白的結構解析只獲得了~30Å的空間分辨率[49]。而今年mHTT的結構解析獲得了重大突破,得到了總體~4Å的全長mHTT蛋白結構[50]。然而,包含polyQ序列在內的N-端結構依然無法解析,而且已解析的結構基于mHTT與其結合蛋白HAP40的復合物,很可能并未捕獲mHTT可能的各種構象。因此,過長的polyQ導致細胞毒性的構象基礎依然缺少直接的結構生物學數據予以闡述。針對以上困難,我們最近的一項研究從一個嶄新的角度研究了上述問題:蛋白質降解。一方面,如果相同細胞的同一蛋白有著不同的降解速率,意味著該蛋白存在不同的構象;另一方面,HD神經元中,mHTT的降解速率與其神經毒性呈非常顯著的負相關,即mHTT降解越慢,其毒性越大[51]。因此,降解速率較慢的構象可能具有更高的毒性(圖1A和圖1B)。通過一種新建立的基于點擊化學和均相時間分辨熒光的蛋白降解速率測量方法CH-chase[52]我們發現,polyQ抗體3B5H10所識別的mHTT構象的降解速率明顯低于其他polyQ抗體所識別的構象的降解速率,從而直接證明了不同polyQ類型的存在。進一步的機制研究發現,HD患者大腦組織和細胞中,該構象的賴氨酸63型泛素化幾乎缺失,因此無法被選擇性自噬接頭蛋白p62識別,從而無法被選擇性自噬降解,從而降解速率減緩,導致較高毒性(圖1C)。因此,mHTT中過長的polyQ構象存在多態性,導致構象依賴的不同的降解速率,浮現了降解較慢的“毒性構象”,進而可能產生細胞毒性,導致疾病。

3.4mHTT產生毒性的下游分子機制mHTT通過其下游分子信號通路導致細胞毒性,從而誘發疾病。按照polyQ長度為25Q的野生型蛋白計算,HTT是一個擁有3144個氨基酸的巨大蛋白,但并沒有已知明確功能的結構域[53]。HTT有5個富集HEAT重復基序的區域,提示HTT可能通過與很多其他蛋白相互作用發揮功能,類似于支架蛋白(scaffoldproteins)[53]。mHTT可能由于結合了新的蛋白,或者失去了部分應有的結合蛋白,間接影響細胞內重要過程,從而導致疾病。目前已有證據表明,mHTT至少通過腦源性神經生長因子(BDNF)的產生和轉運、線粒體功能、鈣信號、氧化應激、蛋白運輸、氨基酸代謝、凋亡信號通路、半胱氨酸合成等多種復雜機制引起神經功能異常或退行[54]。而蛋白組學和RNA組學研究則表明,造成這些影響的因素很可能是HD中HTT蛋白互作組(interactome)的改變[55]以及由此帶來的轉錄表達譜(transcriptome)的改變(圖2)[12]。3.5HD的腦區特異性HD主要由HTT基因突變產生的mHTT蛋白的細胞毒性引起。mHTT在各種細胞中廣泛表達,但HD中神經退行主要發生在大腦紋狀體,而紋狀體中表達多巴胺二型受體(D2)的中間多棘神經元(mediumspinyneuron)在HD病人中最早死亡[57-58]。為何HD存在這種腦區異性也是領域關注的重要問題,而闡明這種腦區特異性的本質有助于在細胞及神經環路層面理解疾病機制。HD腦區特異性的產生主要有兩類可能的機制。一類是細胞自主性機制(cellautonomous),即紋狀體神經元高表達某些特異基因,放大了mHTT的毒性或者使得此類神經元對mHTT毒性更加敏感,最終使得這些神經元在疾病中更容易退行死亡。例如,紋狀體富集表達的小G蛋白Rhes,可能通過增加mHTT的蘇木素化(SUMOylaton)增加其毒性導致紋狀體神經元死亡[59]。我們在以往的工作中則發現,紋狀體富集的孤兒G蛋白偶聯受體GPR52可以特異性增加紋狀體mHTT的水平,導致紋狀體神經元的特異性死亡[26]。另一類可能的機制是非細胞自主性機制(non-cellautonomous),即紋狀體神經元接收了其他類型細胞傳遞的信號而特異性死亡。其主要證據來自于遺傳學:在BACHD小鼠模型中,特異性關閉mHTT在紋狀體的表達,HD相關表型依然存在并只有很微弱的改善,而特異性關閉mHTT在皮層的表達,則幾乎完全拯救了該模型中各種HD的相關表型[60]。此外,近年來一些研究也表明,皮層到紋狀體的神經環路投射及BDNF分泌可能對HD的腦區特異性有重要貢獻[61-62]。由于小鼠模型的主要表型體現在神經功能方面,神經退行表型非常微弱,因此上述結論需要更好的模型和測試加以驗證,而腦區特異性產生的真實機制是細胞自主性機制和非細胞自主性機制的協同作用。綜上所述,自HD致病基因HTT發現以來,HD產生的遺傳學機制、生化機制、下游分子機制以及腦區特異性機制的研究均有重要突破。其中,HD的下游分子以及細胞/腦區層面發病的機制更接近疾病的臨床表現,針對性治療可能相對容易,但不易治本。mHTT本身則更接近疾病產生的根源,針對性治療更難,但更可能獲得治本的療法(圖2)。

4亨廷頓病的治療策略

4.1針對HD癥狀及mHTT下游機制的治療在護理方面,理療和營養補充對改善HD病人的生活質量非常重要,但目前HD沒有任何可以改善疾病進程的治療方法。少數抑制癥狀的藥物已在臨床上使用:丁苯那嗪(tetrabenazine)對HD引起的舞蹈樣不自主動作有暫時的抑制效果。其氘代藥物(deutetrabenazine,商品名Austedo)具有更好的藥代藥動性質,但本質上與丁苯那嗪一樣,只能暫時抑制蹈樣動作癥狀。一些抗抑郁藥物如米氮平等在臨床上也被用于改善HD引起的抑郁癥狀。隨著對突變的亨廷頓蛋白如何導致神經元功能障礙和死亡的理解日益增多,可開發的合理治療靶點也變得豐富。例如,靶向抑制組蛋白去乙酰化酶(HDAC)阻斷劑可能可以通過預防突變亨廷頓蛋白誘導的轉錄障礙,從而改善疾病的各種癥狀;靶向抑制磷酸二酯酶PDE10A的阻斷劑可能可以通過調節紋狀體突觸功能以減少HD的運動障礙和紋狀體萎縮;針對HD神經營養因子BDNF缺乏而進行直接或間接補充,則可能對HD神經元起保護作用[63]。以上這些方法目前都還在研發或臨床試驗的過程中。

4.2針對mHTT水平的治療上述治療方法雖然極具前景,但是對HD的根本病因—mHTT沒有直接作用,因而只能暫時緩解癥狀,無法改善疾病進程。因此,直接降低mHTT蛋白水平,可能是更有效更根本的HD治療方法。這一治療思路在疾病模型上得到了大量驗證[64]。在小鼠模型中誘導表達mHTT的N-端片段可以誘導HD相關表型的產生,而在此之后停止表達可使HD相關表型逐漸減弱直至消失[65]。在多個HD哺乳動物模型中,使用shRNA或siRNA敲低HTT可以有效拯救HD相關表型,而利用ASO抑制HTTmRNA的翻譯,也可以有效并持久地改善疾病表型[66]。我們之前的遺傳學篩選研究揭示了多個可以有效降低HTT水平的藥靶基因,我們后續的研究則進一步證實,利用遺傳學手段操控這些基因或者利用小分子藥物靶向這些基因可以有效拯救HD相關表型[26-27,48,52,56,64,67-73]。值得注意的是,由于mHTT與wtHTT蛋白序列高度相似,大多數降低HTT的方法都無法區分兩者,從而會造成wtHTT水平的下降。因此,降低wtHTT水平是否安全,或者降低多少安全,是一個需要明確的問題。HTT基因是胚胎發育的必需基因,其完全敲除會導致胚胎致死,而雜合敲除表型較弱[29,32],提示HTT在發育期非常關鍵,但降低50%相對可以承受。另一方面,小鼠模型及猴模型中的數據表明,在成年動物中降低近70%的HTT蛋白沒有引起可檢測到的有害作用[74-76]。近期的基因編輯研究則表明,在年輕小鼠(兩月齡)中完全敲除HTT會引起胰腺炎,但是在較成熟的小鼠(四月齡或以上)中完全敲除HTT則未引起明顯的有害作用[33]。更有說服力的是IONIS公司近年來進行的臨床試驗,其對46個病人進行了同時靶向mHTT和wtHTT的ASO的給藥。目前已完成的第I期及第IIa期臨床試驗表明,所給予的ASO的最高濃度依然是安全的,并且絕大多數病人中,ASO有效降低了mHTT及wtHTT。初步結果表明,降低程度根據腦脊液的測量數據估計高達30%~50%,而HTT的總體降低程度與運動能力的改善呈統計學顯著的相關性.以上這些結果表明,降低HTT水平,即使是同時降低mHTT與wtHTT水平,也可以對HD產生根本性的治療作用。目前針對mHTT水平的各種治療手段尚未被正式批準。處于研發階段的策略主要分為三類:靶向HTTDNA、靶向HTTmRNA及靶向HTT蛋白(圖3)。近年來發展了基因編輯技術,特別是CRISPR技術,可以用于敲除HTT基因,達到降低mHTT蛋白治療疾病的效果。這一思路已在小鼠模型中被檢驗并獲得成功[77]。當然,CRISPR潛在的脫靶效應、安全性、臨床可行性等都需要進一步檢驗。最近發展的另一種靶向HTTDNA的技術則使用了點突變失活的鋅指核酸剪切酶(ZFN)結合至HTT啟動子區域,達到抑制HTT基因表達的效果[78]。靶向RNA的方法主要有兩種:利用siRNA和shRNA通過RNA干擾敲低HTTmRNA以及利用ASO降低HTTmRNA水平并抑制其翻譯[66]。

目前siRNA和shRNA主要還在動物模型中進行實驗,而如前文所述,ASO已在臨床試驗中取得了初步成功,被證明可以有效降低mHTT水平,但HD相關表型是否改善有待進一步檢驗。目前ASO的主要局限在于給藥困難。由于屬于RNA類大分子,ASO需要用硬膜外泵給藥,給病人帶來不便與痛苦。此外,ASO價格昂貴,每年費用約100萬歐元,絕大多數HD病人無法負擔。因此,降低HTTmRNA水平的小分子化合物可能更具應用前景。我們最近的工作發現,激酶MAPK11正向調控HTTmRNA穩定性,因此利用小分子阻斷劑靶向阻斷MAPK11有可能成為降低HTTmRNA水平的新手段[56]。靶向HTT蛋白以降低其水平是另一種極具前景的治療手段。其最大的優勢是相比降低HTTmRNA更有可能通過小分子藥物實現,從而解決靶向RNA的給藥問題及成本問題。mHTT可以通過自噬降解,因此增加自噬功能的小分子藥物可以有效降低mHTT并拯救HD相關表型[5,79-81]。然而,由于自噬作用介導了多種生物分子及細胞器的降解,其整體增強對除了mHTT水平之外的非特異性影響很大,例如自噬的直接增強可能協助癌細胞的存活和增長[82],因此安全性存在顧慮,目前尚未進入臨床試驗階段。針對HTT蛋白翻譯后修飾的研究則揭示,增加其13及16位絲氨酸的磷酸化或者第444位(按25Q的野生型HTT計算)賴氨酸的乙酰化,可以顯著增加mHTT的降解從而降低其水平[83-84],為更特異性地靶向HTT并降低其水平提供了可能。最后,為了得到可以更特異性地降低mHTT水平的藥靶及小分子藥物,我們進行了多個遺傳學篩選及反篩選,得到了一系列可能特異性調控mHTT水平的潛在藥靶基因,如NUB1、GPR52等[26,56,72-73]。這些基因通過各種不同的分子機制調控mHTT水平,而靶向這些基因所表達蛋白的小分子藥物,則有可能成為HD根本性治療的候選藥物。例如,其中的GPR52基因表達的一個G蛋白偶聯受體,具有較高的制藥潛力。通過針對GPR52活性的化合物篩選得到的小分子拮抗劑被發現可以有效降低mHTT水平并且拯救HD相關表型,從而為疾病治療打開了新窗口[73]。

5亨廷頓病研究的展望

綜上所述,神經退行性疾病是嚴重影響當代社會而缺少任何根本性治療手段的一類疾病,而亨廷頓病作為其中主要的單基因遺傳病,在機制及治療研究方面具有獨特優勢。近年來HD的研究取得了重要突破,建立了從病人細胞分化神經元到小鼠及大動物等HD疾病模型,揭示了mHTT引起HD的源頭機制及可能的下游機制,并且在臨床上初步驗證了降低mHTT水平治療疾病的可行性。未來的工作將著重于完成利用ASO降低mHTT水平的臨床試驗并證實其臨床效果以及探索各種降低mHTT的小分子藥物并進行臨床試驗,以期獲得可以根本性治療HD的小分子藥物。

作者：安平；魯伯塤 單位：醫學神經生物學國家重點實驗室