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基因筛查为治疗亨廷顿病提供了新的药物靶点

神经科学家发现了调节疾病毒性的基因。

麻省理工学院的神经科学家利用一种以前在哺乳动物大脑中不可能存在的基因筛检技术,识别出了数百种神经元存活所必需的基因。他们还用同样的方法来识别基因,以防止引起亨廷顿氏舞蹈症的突变蛋白的毒性作用。

这些努力产生了至少一个有希望的治疗亨廷顿舞蹈症的药物靶点:一个基因家族,通常可以帮助细胞在变异的亨廷顿蛋白聚集并形成亨廷顿舞蹈症患者大脑中的团块之前,将其分解。

这些基因以前从未与亨廷顿氏舞蹈症的发病过程相联系。当我们看见他们时,这是非常令人兴奋的,因为我们不仅发现了一个基因,但实际上几个相同的家庭,我们也看到他们有影响在两个模型的亨廷顿氏舞蹈症,“Myriam海曼说,副教授在脑与认知科学和神经科学研究的资深作者。

研究者的新筛选技术,允许他们评估的所有老鼠大脑中发现的约22000个基因,也可以应用于其他神经系统疾病,包括阿尔茨海默病和帕金森疾病,海曼说,同时也是麻省理工学院Picower研究所学习和记忆和麻省理工和哈佛大学。

布罗德研究所的博士后玛丽·沃茨是这篇论文的主要作者,这篇论文发表在今天的《神经元》杂志上。

全基因组屏幕

几十年来,生物学家一直在进行筛选,系统地敲除小鼠、果蝇和秀丽隐杆线虫等模型生物的单个基因,然后观察它们对细胞存活的影响。然而,这样的筛选从未在小鼠大脑中进行过。一个主要的原因是,在大脑中传递这些基因操作所需的分子机制比在身体的其他地方更困难。

海曼说:“这些无偏的基因筛选非常强大,但在全基因组范围内对中枢神经系统进行筛选的技术难度从未被克服。”

近年来,布罗德研究所(Broad Institute)的研究人员开发了基因库,可以用来关闭在小鼠基因组中发现的所有基因的表达。这些文库中的一个是基于短发夹RNA (shRNA),它干扰了携带特定基因信息的信使RNA。另一种是利用CRISPR技术,这种技术可以破坏或删除细胞中的特定基因。这些文库是由病毒传递的,每个病毒携带一个针对单个基因的元素。

这些库的设计是为了让大约22000个小鼠基因中的每一个都能被4个或5个shrna或CRISPR元件靶向,因此需要有8万到10万个病毒进入大脑,以确保所有基因至少被击中一次。麻省理工学院的研究小组想出了一种方法,使他们的病毒溶液高度浓缩,并将其直接注射到大脑的纹状体中。通过这种方法,他们能够将shRNA或CRISPR中的一种元件传递到纹状体中25%的细胞中。

研究人员将注意力集中在纹状体上,因为它是受亨廷顿舞蹈症影响最大的大脑区域,参与调节运动控制、认知和情绪。它还与帕金森病、自闭症和毒瘾有关。

注射大约7个月后,研究人员对目标纹状体神经元中的所有基因组DNA进行了测序。他们的方法是基于这样一种观点:如果特定的基因对于神经元的存活是必要的,那么任何被敲除这些基因的细胞都会死亡。然后,这些shrna或CRISPR元件在细胞总数中以较低的比率被发现。

这项研究发现了许多细胞存活所必需的基因,例如参与细胞新陈代谢或将DNA复制成RNA的酶。这些发现还揭示了先前对果蝇和蠕虫的研究中发现的对神经元功能有重要作用的基因,比如涉及突触功能的基因(突触是神经元相互沟通的结构)。

然而,海曼说,这项研究的一个新发现是,发现了以前与神经元存活无关的基因。这些基因中有许多是编码代谢蛋白的基因,而代谢蛋白对于消耗大量能量的细胞来说是必不可少的。

海曼说:“我们的解释是,与秀丽隐杆线虫的神经元相比,哺乳动物大脑中的神经元新陈代谢更活跃,对这些过程的依赖性更强。”

加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)的精神病学和生物行为科学教授威廉·杨(William Yang)称,这种新的筛查技术是大脑研究领域的“巨大飞跃”。

“在此之前,人们可以逐个基因研究基因的分子功能,或者一次研究几个基因。这是一项开创性的研究,因为它证明了你可以在哺乳动物的中枢神经系统中进行全基因组的基因筛选。

有前途的目标

然后,研究人员对两种不同的亨廷顿氏舞蹈症小鼠模型进行了相同类型的筛选。这些小鼠模型表达了杭丁顿蛋白的突变形式,杭丁顿蛋白在亨廷顿患者的大脑中形成团块。在这种情况下,研究人员比较了亨廷顿氏症小鼠和正常小鼠的筛查结果。海曼说,如果在亨廷顿小鼠身上发现shRNA或CRISPR基因的频率降低,那就意味着这些基因针对的是那些帮助细胞抵抗亨廷顿蛋白毒性作用的基因。

从这个筛选中出现的一个有希望的药物靶点是Nme基因家族,它之前被认为与癌症转移有关,但与亨廷顿氏舞蹈症无关。麻省理工学院的研究小组发现,其中一个基因,Nme1,调节其他基因的表达,这些基因参与了蛋白质的正确处理。研究人员假设,如果没有Nme1,这些基因就不会被激活,使得杭丁顿在大脑中积累。他们还发现,当Nme1在亨廷顿氏症小鼠模型中过表达时,亨廷顿氏症的症状似乎有所改善。

海曼说,虽然这个基因以前没有被发现与亨廷顿氏舞蹈症有关,但人们已经在努力开发针对亨廷顿氏舞蹈症的化合物,用于治疗癌症。

她说:“这对我们来说非常令人兴奋,因为理论上这是一种可以下药的化合物。”“如果我们能用一个小分子增加它的活性,也许我们可以复制基因过表达的效果。”

这项研究由美国国立卫生研究院/国家神经疾病和中风研究所、JPB基金会、贝弗·哈蒂格·亨廷顿病基金会、大脑研究基金会的Fay/Frank Seed奖、Jeptha H.和Emily V. Wade奖以及遗传疾病基金会资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/new-drug-targets-huntingtons-gene-0130