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学术前沿

渐冻症有救了? (转载)

发表者:樊东升 人已读

作者:莱昂纳德·彼得鲁切利(Leonard Petrucelli),梅奥诊所杰克逊维尔神经科学系主任、教授北京大学第三医院神经内科樊东升

阿龙·吉特勒(Aaron D. Gitler),斯坦福大学医学院遗传学系副教授

翻译:北京大学第三医院神经内科刘晓鲁、樊东升

肌萎缩侧索硬化症是如何一点点地损害运动神经元,逐渐让患者失去活动能力的?最近发现的基因突变可能会给我们一些提示,引导我们找到具有长期疗效的药物。

肌萎缩侧索硬化症ALS)的出现往往悄无声息。患病初期虽无疼痛,但患者神经细胞支配骨骼肌的能力受到影响。他们会出现一些细微的症状,如走路磕绊、行动笨拙和口齿不清。而这些症状常常会被忽视。因为著名棒球运动员·伽雷Lou Gehrig)的无故掉球和跌倒,这种疾病才走进了公众视野。

·伽雷曾被誉为铁马,连续14年征战超过2130场比赛。他于19396月被确诊为ALS,一个月后就在扬基体育场悲壮退役。卢·伽雷的病情发展迅速,当年12月就虚弱到无法参加自己入选名人堂的典礼了。随着病势加重,他最终卧床不起,并于1941年结束了年仅37岁的生命。

每年,美国有超过6000人确诊为ALS。患病年龄多为50~60岁,但也有患者是在很年轻或者80岁的时候发病的。发病时,脑部和脊髓的运动神经元会开始死亡,而这些细胞的功能是从大脑经脊髓向肌肉发出信号。因此这将导致患者的活动能力、敏捷程度、语言能力甚至吞咽功能下降。大多数患者脑部高级认知功能并未受损,只能眼睁睁地看着自己的身体一点点地被疾病吞噬。他们很快就被困在轮椅上,最终卧床不起,然后逐渐丧失交流、进食或呼吸的功能,大多数患者会因呼吸衰竭3~5年内去世。美国食品及药品管理局(FDA)唯一批准用于治疗ALS的药物——谷氨酸阻滞剂利鲁唑(glutamate blocker riluzole)——平均也只能延长患者3个月的生命,但尚无方法将其治愈。

法国神经病学先驱让-马丁·沙尔科(Jean-Martin Charcot)在1869年首次提出并命名该病,通过“肌萎缩侧索硬化”这个名称概括了此病的特点:“肌萎缩”指肌肉缺乏营养;“侧索”是脊髓的一个区域,这是死亡的运动神经元所在的位置;“硬化”则是指神经退化过程中的组织硬化或瘢痕化。沙尔科所描述的疾病特点简练清晰,但近一个半世纪以来,ALS的复杂性仍使研究人员深感困惑。尽管这是一种致命的疾病,但不知为何,也有约10%的患者生存期达到10年以上。这部分患者中就包括著名物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking),他已在ALS的折磨下生活了 50余年。近来的研究显示,环境因素对诱发ALS仅起到很小的作用,可能只是增加了携带易感基因的人群的患病风险。最让人感到困惑的是疾病发生的随机性,只有不足10%的病例是由父母遗传给孩子,其余的病例都是非遗传性或者说散发性的。

在过去10年里,精准的测序技术使我们在生物学层面对疾病有了更深的了解。越来越多的研究显示,许多不同的基因都跟这种疾病有关,它们单独表达或共同作用,增加了个体的患病几率。一些基因突变甚至与70%以上的家族性ALS和约10%的散发性ALS相关。反过来,这些新的基因研究也为更好的治疗指出了方向。基因沉默技术是某些ALS潜在的治疗手段,作用于特定目标基因的两种药物有望在今年进行临床试验。与此同时,研究人员也在寻找特异性的生物标记物,包括体液或脑电活动中的可测量成分,这将有助于临床医生早期诊断和定量评估疾病进展。这些生物标记物对其他药物的研发也很有帮助。

早期的遗传发现

大多数家族性ALS患者有50%的几率把疾病传给下一代。尽管在患者中只占很小的比例,但他们极大地加深了人类对ALS遗传机制的认知。关于ALS的第一个遗传学发现,是在1993年确认了SOD1基因突变,约20%的家族性ALS患者都携带有这种突变。SOD1基因负责编码的是抗氧化物超氧化物歧化酶(antioxidant enzyme superoxide dismutase),这种酶作用是将高反应性超氧化物分子(highly reactive molecule superoxide一种氧自由基)转化为无害的形式。

起初,研究人员推测SOD1突变可能减弱了酶的抗氧化能力,导致氧自由基对运动神经元造成破坏。二十多年后,我们知道情况并非如此。突变导致酶的作用超出了正常范畴,细胞获得了一些新的功能,这种情况被科学家称为毒性功能获得(toxic gain of function)。

更为严重的是,这些新出现的功能导致了神经元内某些蛋白形态的改变。通过对ALS患者进行尸检,研究人员发现绝大多数患者都有一个典型的脑病理特征,那就是运动神经元内的蛋白聚集。若想让神经元正常工作,组建细胞结构的蛋白必须要有效地循环起来,但在ALS患者的细胞中,这一循环体系已彻底崩溃。包括酶在内的所有蛋白质,在细胞内合成时都需要保持精准的三维结构才能发挥正常的功能,基因突变则会导致个别蛋白因错误折叠而聚集。出现这种情况时,细胞会通过泛素这一分子标记物,将结构异常的蛋白标记出来并清除掉。但如果清除体系的负荷过重,垃圾就会逐渐堆积。在某些家族性ALS患者的运动神经元中,就能够发现大量泛素标记的SOD1蛋白聚集。

ALS研究领域最重要的里程碑出现在2006年,科学家将目光转移到不携带SOD1突变的ALS患者上。他们发现了另一种被称为TDP-43的蛋白。这种蛋白聚集在几乎每一位患者的运动神经元内。TDP-43蛋白的功能是调节信使RNA的活性,而信使RNA既是基因信息的复制者,又是编码合成蛋白质的模板。TDP-43与信使RNA结合,指导后者在细胞核内的转录过程,随后将信使RNA运送到细胞内的相关区域,在RNA翻译成蛋白质的过程中发挥重要作用。然而,在ALS患者体内,TDP-43不知为何离开了细胞核。它们聚集在细胞质中,有时还会吸引更多的这类蛋白进入细胞质。科学家仍在探索,这一过程中的TDP-43究竟是导致了功能缺失(因其离开细胞核)还是毒性功能获得(因其在细胞质中聚集),还是两者兼而有之。

科学家发现大多数患者体内都会出现TDP-43的聚集后,他们便着手研究这种蛋白的基因TARDBP,并在一些遗传家系中发现了罕见突变。这一重要突破从理论上确定了RNA结合蛋白的这一行为可能导致ALS。随后,更多参与RNA调节的蛋白被确定为ALS致病因素,预计还会有更多的发现。21世纪头十年,ALS的遗传学发现呈现出井喷之势,每年都约有1~2个致病基因被确认,但最振奋人心的发现此时仍未到来。

重复序列

这一发现源于对遗传家系的研究。2011年,两个研究团队分别报道了同一个特殊的突变基因,该基因的名称也同样特殊——C9ORF72。这是指9号染色体上第72个开放读码框(open reading frameDNA序列中可编码蛋白质的一段无终止密码子打断的碱基序列。在健康人群中,C9ORF72所包含的一段DNA序列GGGGCC的重复次数为2~23次,但在C9ORF72发生突变的人群中,这个片段的重复次数可达数百次甚至上千次。

随后的研究显示,这些过度重复的序列可以解释40%~50%的家族性ALS病例和5%~10%的散发性病例。更为有趣的是,这一突变的发现使ALS和另一种疾病——一种名为额颞叶变性Frontotemporal degeneration, FTD)的痴呆症,建立起了遗传学上的联系。FTD表现为显著的人格改变和决策混乱。C9ORF72突变可引起ALSFTD,甚至是二者相结合的ALS-FTD。在C9ORF72突变患者的神经元中也可以发现TDP-43蛋白的聚集,这两种疾病因此建立起了另外一种联系。这种关联性意味着,ALSFTD可能是相关疾病谱系的一部分,但是同一个基因的突变为何会导致如此不同的症状仍不得而知。

研究人员提出了三种细胞机制来解释这个神秘基因的突变是如何导致ALS的。第一种解释是,DNA重复片段会干扰信使RNA,使其无法完成遗传密码的正常转录和翻译,影响了蛋白的合成。虽然这些蛋白的确切功能尚不清楚,但这无疑会导致其功能的降低;第二种解释是,重复序列可能会引起RNA的聚集。它们在神经元的细胞核内形成聚集物,捕获RNA结合蛋白(RNA-binding protein),从而使其无法发挥正常功能,导致了毒性功能获得;第三种解释是,当一个人的C9ORF72基因发生突变,扩增的重复序列被翻译为易在核内聚集的异常蛋白,这种分子生物学改变最终导致了毒性功能获得。

迄今为止,已有的证据更支持C9ORF72突变引起ALS是毒性功能获得所致”这样的推断,但尚不清楚的是,RNA聚集和蛋白聚集谁是更关键的致病因素。不过这也不要紧,正在研发的治疗策略将同时阻断突变基因生产RNA和蛋白质的能力。

反义药物

基因沉默技术是治疗神经退行性疾病最有前景的技术之一,这项技术使用了合成的反义寡核苷酸(antisense oligonucleotideASO)。ASO分子可以识别特定基因的信使RNA,并与之结合。ASORNA结合后,会激活一种核酸酶,攻击RNA-ASO复合体。实际上,ASO可以选择性地破坏任何突变基因的RNA。在针对C9ORF72突变的啮齿动物的研究中,科学家合成了反义分子(antisense molecule),用它来破坏运动神经元中RNA聚集而成的团块。结果发现,这种反义分子不仅可以破坏RNA团块,也能破坏异常蛋白的团块,甚至可以避免新的蛋白聚集体的形成。

靶向作用于C9ORF72基因的反义药物(antisense drug)有望今年投入人体临床试验。研究人员也为SOD1突变导致的家族性ALS患者设计了反义药物,这项研究的早期临床试验显示鞘注给药是安全的(鞘注给药是指,通过腰椎穿刺,直接向患者脑脊液给药的一种治疗手段),药物可以通过脑脊液的流动分布在脑周围并进入运动神经元。

ASO治疗另一种神经退行性疾病——脊髓性肌萎缩症的成功,让研究人员稍微乐观了一些。这种遗传性运动神经元疾病出现在婴幼儿中,与ALS非常相似,患儿很少能够活过3岁。在近期的两项临床试验中,研究人员利用反义药物纠正基因缺陷所导致的信使RNA异常,结果惊喜地发现患儿的运动能力显著改善。FDA于是对这些试验进行快速跟踪,并于201612月正式批准了该药物的上市申请。

寻找突变基因

研究有明确遗传规律的家族性ALS,为我们更好地理解这类疾病的生物学机制打下了基础。但这类病例毕竟只占少数,目前最大的挑战是研究散发性ALS患者,确定是哪些突变,让这些患者的患病风险升高了。目前全世界的科研人员都在积极收集ALS患者的DNA样本,对海量的基因组数据进行分析。

为了加快这项工作,遗传学家开发了一种微芯片来协助研究,该方法可以轻易地完成ALS患者和健康人群的基因组比对,在全基因组关联分析(genome-wide association studies, GWAS)的研究中发挥了重要作用。芯片主要分析的是基因组中包含单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphismsSNP)变异的区域,这些区域的DNA信息或核苷酸在个体间的差异很大。虽然GWAS是相关性研究,并不能确定是什么导致了ALS,但它可以发现可疑的差异,以进行下一步的观察。近来多项国际性的GWAS研究比对了超过10 000ALS患者和超过20 000例正常人,在基因组层面发现了很多差异,这些发现目前都进入了新的研究阶段。新技术也使收集遗传数据变得简单,一天之内完成一个人的全基因组测序已成为现实,而且花费不会超过1000美元。如果只测定所有外显子(基因组中编码蛋白的部分)的序列,则会更加便宜快捷。

一旦列出了与ALS易感性相关的基因突变的黑名单,研究人员就可以探索ALS相关遗传突变为什么能够增加患病风险。这些探索包括:多个基因如何相互作用?某些形式的ALS是否存在多个突变基因?环境因素是如何诱发某些患者的疾病的?一项新的研究显示,部分ALS甚至可能与一种逆转录病毒有关。这种病毒的DNA序列长期潜伏在患者的基因组内,通常处于休眠状态,但一旦“苏醒”,病毒会在大脑内的神经元间传播,损害神经元,诱发疾病。

生物标记物

越来越多的研究显示,导致ALS的真凶不仅仅是运动神经元的死亡,胶质细胞在其中也起到了重要作用。胶质细胞在脑内和中枢神经系统中数量众多,甚至超过了神经元。它们可以发挥多种功能:有的为神经元提供物理上的支撑,有的可调节脑内环境,特别是神经元和突触周围的液体。近期关于SOD1突变小鼠的研究又有了惊人的发现:尽管运动神经元中存在毒性SOD1蛋白,但只要阻断胶质细胞中突变基因的合成,就可以延长小鼠的生存期。运动神经元似乎是疾病的缘起,而前者与胶质细胞之间的信号传导,则促进了疾病的发展。胶质细胞可能也会通过产生毒性因子加剧ALS,但科学家尚不清楚这种因子是什么,也不知道它们是如何发挥作用的。一旦这种(或这些)因子被探明,我们可以阻止其产生,或者阻止它们向运动神经元传递异常信号,这样就能延缓或治愈ALS了。

在破译ALS成因的研究中,科研人员也一直在寻找能够帮助医生评价疾病进展的生物标记物。比如,目前已经有研究试图在易获取的体液(如血液或脑脊液)中检测C9ORF72基因编码的异常重复蛋白。今年3月,本文作者彼得鲁切利曾发表文章报道称,他在ALSALS-FTD患者以及无症状的突变基因携带者的脑脊液中,检测到了这些异常蛋白。这些检测手段将有助于疾病的早期诊断。这个领域的其他研究则着眼于开发影像技术,以便在ALS患者脑内的TDP-43蛋白团块攻击运动神经元之前及时检测到它们。所有这些生物标记物都可以作为评价临床试验有效性的标准。

遗传学和基因组学的快速发展以及新的生物标记物的开发,使ALS研究进入了精准医疗的时代。在不远的未来,患者将依据ALS类型分组,接受特定的治疗或预防。

社交媒体的力量

过去十年,ALS研究领域的大多数进展要归功于患者的配合,他们自愿为大规模的基因组研究贡献时间和DNAALS患者和他们的家人也通过社交媒体提高了公众对该病的认知;他们还募集资金,支持科学研究,为患者服务。

2014年,“ALS冰桶挑战”掀起互联网风暴。5年前,27岁的波士顿学院棒球队前队长皮特·弗拉泰斯(Pete Frates)被诊断为ALS,之后他在Facebook上发布视频向他的朋友们发出挑战——把冰水浇在头上,为ALS协会筹集资金。此举引发了巨大的轰动并得到大量名人的响应,包括马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)、比尔·盖茨(Bill Gates)、奥普拉·温弗莉(Oprah Winfrey)、莱昂纳多·迪卡普里奥(Leonardo DiCaprio)和勒布朗·詹姆斯(LeBron James)在内的众多知名人士都参加了挑战。短短8周时间,Facebook用户就发布了超过1700万条挑战视频。最终支持者共捐出超过115 000 000美元,其中67%用于科研,20%用于患者和社会服务,9%用于公众及专业教育。

ALS是一种残酷无情的疾病。卢·伽雷曾在纽约扬基体育场发表振奋人心的退役演讲,他把自己称为“地球上最幸运的人”。而在这场演讲和他患病的消息传出之前,大多数患者都只能默默承受。现在公众意识的日益提高,源自弗拉泰斯这样的人的努力。他帮助发起的社会媒体行动极大地推动了ALS协会的发展,帮助这个机构把年度科研预算翻了三倍。我们对ALS生物学机制的认知会持续爆发式地增长,这将有助于科学家铺设对付致病基因的天罗地网,并在此基础上形成更好的治疗方案,最终有效控制ALS这个隐形杀手。科学家们对此非常乐观。

原载:《环球科学》2017年7月号,第44-49页

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发表于:2017-07-20 23:40

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