亨廷顿病的新机制揭示了脑细胞死亡的原因

麻省理工学院和哈佛大学的布罗德研究所、哈佛医学院以及麦克莱恩医院的科学家们发现了一种令人惊讶的机制，解释了导致亨廷顿病的遗传突变如何导致脑细胞死亡。这一发现改变了对这种致命神经退行性疾病的理解，并提出了可能延缓甚至预防该疾病的方法。

30年来，研究人员已经知道亨廷顿病是由HTT基因中的遗传突变引起的，但他们不知道这种突变是如何导致脑细胞死亡的。今天发表在《细胞》杂志上的一项新研究揭示，这种遗传突变本身并不会伤害细胞。相反，这种突变在几十年内都是无害的，但会慢慢变成一种高度毒性的形式，然后迅速杀死细胞。

亨廷顿病的突变涉及HTT基因中的一段DNA，在这段DNA中，一个三字母序列“CAG”重复至少40次，而没有这种疾病的个体则继承了15-35次重复。研究人员发现，具有40次或更多CAG重复的DNA片段会增长到数百次重复。这种“体细胞扩展”只发生在后来会在亨廷顿病中死亡的特定类型脑细胞中。只有当一个细胞的DNA扩展达到大约150次CAG重复时，细胞才会生病并最终死亡。许多这样的细胞累积死亡会导致亨廷顿病的症状。

这项研究为为什么旨在减少HTT蛋白表达的亨廷顿病候选药物在临床试验中表现不佳提供了潜在解释：在任何给定时间，很少有细胞具有这种蛋白质的毒性版本，因此这些治疗方法可能在大多数细胞中没有治疗效果。

这项研究还提出了一种不同的治疗策略：阻止或减缓HTT基因中的CAG重复扩展可能会推迟大量细胞的毒性，从而延迟甚至预防疾病的发生。

“这些实验改变了我们对亨廷顿病发病机制的理解。”

史蒂夫·麦卡罗尔，遗传学家和神经科学家，也是该研究的共同资深作者

麦卡罗尔是布罗德研究所的成员，斯坦利精神病学研究中心基因组神经生物学主任，哈佛医学院生物医学科学和遗传学多萝西和米尔顿·弗莱尔教授，霍华德·休斯医学研究所研究员。“这是一种非常不同的思考突变如何引发疾病的方式，我们认为这将适用于亨廷顿病以外的DNA重复疾病。”

“我们的工作——我们所有人所做的——是为了减轻疾病造成的痛苦，”共同资深作者萨宾娜·贝雷塔说，她是哈佛医学院和麦克莱恩医院的精神病学副教授，也是马萨诸塞州总医院布莱根医疗保健系统的成员。她还是麦克莱恩医院的哈佛脑组织资源中心（HBTRC）主任，该中心是NIH神经生物库的一个中心。“这项研究及其所支持的工作可能会产生重大影响，并在短期内大大减轻痛苦。”

鲍勃·汉萨克、谢瓦·卡申和前研究助理诺拉·里德，均来自麦卡罗尔的研究小组，是这项工作的共同第一作者。

未解决的问题

亨廷顿病会杀死一种称为纹状体投射神经元的细胞群，这些细胞位于大脑深处的纹状体结构中，负责运动、许多认知功能和动机。当大量这些细胞死亡时，患者会出现手臂、腿部和面部的不自主运动，许多患者还会出现认知问题。这些症状通常在中年开始出现，然后在10到20年内进展为更严重的认知问题和运动或吞咽困难。

1993年，研究人员发现这种疾病是由HTT基因中扩展的CAG序列引起的。大多数人继承了含有15至35个连续CAG的基因版本，永远不会发展成亨廷顿病，但那些继承了40个或更多连续CAG的人几乎都会在晚年患上这种疾病。重复序列越长，症状出现的年龄越早。重复的CAG序列也已被证明会随着时间扩展，导致不同组织中的长度不同。

但一些基本的生物学问题一直存在：HTT突变是如何有毒的？为什么几乎存在于身体每个细胞中的HTT蛋白只会杀死某些脑细胞而不杀死其他细胞？为什么出生时就带有这种突变并在一生中表达这种蛋白的患者，直到中年才出现症状，之前几十年似乎都很健康？

重复扩展

为了回答这些问题，研究团队建立了一项十年前由麦卡罗尔实验室开发的技术，称为液滴单细胞RNA测序（Drop-seq），该技术允许研究人员分析数千个单细胞中的基因表达。为了了解CAG重复长度的直接生物学效应，研究人员改进了单细胞RNA测序，以帮助他们不仅确定基因表达和单细胞身份，还能确定每个细胞内的DNA重复序列长度。

“已知这些重复在神经元中扩展，”卡申说。“但是能够取一个特定的细胞并测量CAG长度和转录谱——这是一个非常重要的基础，使强大的分析成为可能。”

研究人员研究了由53名亨廷顿病患者和50名非患者捐赠的大脑组织，这些组织由HBTRC收集和保存。他们分析了超过50万个单细胞，发现大多数来自患者的细胞类型的CAG重复序列与其继承的相同。但纹状体投射神经元——在疾病中主要死亡的纹状体细胞——极大地扩展了它们的CAG重复序列。大多数以前对人脑组织的研究集中在少于100个重复的CAG序列上，但新的研究表明，一些神经元有多达800个CAGs，证实了20年前格拉斯哥大学佩吉·谢尔本的发现。

最令人惊讶的是，研究团队发现从40到150个CAG重复的DNA扩展对神经元的健康没有明显影响。但重复超过150个CAG的神经元表现出极大的基因表达扭曲，失去关键基因的表达，然后死亡。

麦卡罗尔的团队还使用实验数据的计算机建模来估计纹状体投射神经元中CAG重复扩展的速度和时机。他们发现，CAG重复序列最初扩展缓慢，在生命的前二十年每年扩展不到一次。但当一个细胞的重复序列达到约80个CAGs——通常在几十年后——其扩展速度急剧加速，并在几年内扩展到150个CAGs。几个月后，细胞就会死亡。这意味着一个神经元在其生命中超过95%的时间都拥有无害的HTT基因。此外，由于不同细胞的重复序列在不同时间跨越毒性阈值，这些细胞作为一个群体在很长一段时间内逐渐消失，通常在症状出现前20年开始，随着症状开始而更快。

“在我们开始这项工作之前，关于亨廷顿病已经有很多知识，但在我们的集体理解中存在空白和不一致之处，”汉萨克说。“我们能够拼凑出病理在个别神经元中几十年的发展轨迹，这为我们提供了许多不同的时间点，可以在这些时间点进行治疗干预。”

分析亨廷顿病患者捐献的大脑组织对于这项工作至关重要。“我们要感谢那些选择做一件非常困难的事情的家庭，”贝雷塔说。“如果没有许多脑捐献者的无私奉献，这是不可能实现的。他们的遗产将持久地造福许多人。”

治疗可能性

麦卡罗尔的团队建议，与其针对HTT蛋白，不如通过减慢或停止DNA重复扩展来作为一种互补或更好的治疗方法，这可能会帮助延迟甚至预防疾病。

此前对亨廷顿病的遗传学研究，包括马萨诸塞州总医院范妮莎·惠勒和里卡多·莫罗·平托的研究，暗示了可能减缓这种扩展的方法。这些研究表明，参与维持和修复DNA的细胞蛋白有时会破坏DNA重复序列的稳定性。例如，MSH3蛋白通常帮助细胞监测其DNA中的潜在突变，但由额外CAG形成的DNA环会使这种蛋白混淆，从而扩展CAG重复序列。一个国际人类遗传学家团队发现，编码这些DNA修复蛋白的基因中的常见遗传变异可以加速或延迟亨廷顿病患者的症状发作——麦卡罗尔表示，这些发现直接启发了他的团队专注于开发测量单细胞中CAG重复序列的方法。他补充说，通过分子疗法减慢某些DNA维护过程可能会通过允许其他不太容易出错的DNA修复机制解决这些环来减慢DNA重复扩展。

与此同时，研究人员正在努力了解超过150个CAG重复的DNA序列如何导致神经元损伤和死亡，以及为什么某些类型的神经元比其他类型的神经元更容易扩展重复序列。他们还使用类似的单细胞RNA测序结合DNA重复序列分析来理解其他涉及DNA重复序列和患者晚期发病的遗传疾病中DNA重复扩展与细胞变化之间的联系。超过50种人类脑部疾病，包括脆性X综合征和肌强直性营养不良，都是由各种基因中的DNA重复扩展引起的。

“要通过科学工作找到减缓DNA重复扩展的治疗方法，还需要很多人共同努力，”麦卡罗尔说。“但我们希望理解这是疾病的核心驱动过程，将带来深入的关注和新的选择。”

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