為什麼研發自閉症藥物這麼難?美國科學院院刊這篇論文或許能說明

2020-10-16 16:30:35 1855 views
摘要

現代科學研究技術的迭代日新月異,在上一期的科學速遞站中,我們就解讀了大規模自閉症的最新基因研究,基於基因測序和計算機技術的發展,研究者們快速地鑒定出了102個自閉症相關基因。

為什麼研發自閉症藥物這麼難?美國科學院院刊這篇論文或許能說明

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本期解讀嘉賓:袁老師

■ 哈佛大學醫學院腦科學博士後

■ 哈佛大學附屬BWH腦科學專家

■ 小小神經元首席腦科學家


現代科學研究技術的迭代日新月異,在上一期的科學速遞站中,我們就解讀了大規模自閉症的最新基因研究(外顯子測序),基於基因測序和計算機技術的發展,研究者們快速地鑒定出了102個自閉症相關基因。

這種速度和效率在過去根本無法想像,無疑大大加速了研究人員開發治療手段的進程,但是,既然目前已經發現了這麼多的自閉症相關基因,為什麼還沒有藥物面世?

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圖片源自Pexels,與研究內容無關

因為針對每一項新的可能因素,從發現到臨床應用都需要借用各種技術進行全面的研究,確認該因素是否切實影響自閉症癥狀、具體有什麼樣的影響、這些影響是如何起作用的、如何利用這些影響進行調節等一系列的問題。

本期科學速遞站就為大家解讀一篇發表在美國科學院院刊(PNAS)上的經典研究論文:發現一個自閉症基因後,研究人員是如何用實驗充分驗證其作用。

在這項研究中,科研人員利用特定的隱性遺傳自閉症人群數據,發現了其中最顯著突變的基因ACTL6B,然後在細胞模型、果蠅模型、小鼠模型、3D類器官模型和部分人體實驗(MRI)共同驗證了該基因對自閉症的作用所採用的實驗技術涵蓋了外顯子測序、RNA測序、細胞生物學、分子生物學、MRI、小動物行為學、顯微技術等。

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《美國科學院院刊》(PNAS,Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)是與《Nature》、《Science》齊名,被引用次數最多的綜合學科文獻之一。自1914年創刊至今,《PNAS》提供具有高水平的前沿研究報告、學術評論、學科回顧及前瞻、學術論文以及美國國家科學學會學術動態的報道和出版。

《PNAS》由至少由一名美國國家科學院院士負責審稿,在SCI綜合科學類排名第三位,因而已成為全球科研人員不可或缺的科研資料。

在SCIE所有期刊中,《PNAS》特徵因子位列世界第二,有著很高的國際聲譽,影響力巨大。


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研究團隊介紹

負責該項研究的Gleeson教授是UCSD聖地亞哥神經遺傳所負責人,也是腦發育中心主任,其實驗室研究目標是研究兒童腦部疾病的遺傳基因基礎。他在神經科學、遺傳學和細胞生物學等領域開創了很多創新性項目,並且著有多篇腦疾病醫學著作。

Gleeson教授多年來致力於為患神經發育疾病的兒童研究更好的診斷和治療手段,專註於大腦皮層、小腦、腦幹區域結構病變,他的實驗室長期和多個國際單位合作聯合研究自閉症等疾病,並開發針對這些疾病的治療新方法。

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主導該項研究的Gleeson教授


研究內容及成果

首先如何發現特定基因呢?

研究人員對一類特定的隱性遺傳自閉症人群(SRAC, Simons Recessive Autism Cohort)進行了全基因組外顯子測序,通過135個該類自閉症患者和256個隱性遺傳其它神經發育疾病的對照組病人的測序結果顯示,在所有編碼基因中,ACTL6B基因在自閉症患者中發生最顯著突變,而在對照組病人中並沒有發現該突變。

進一步分析其編碼的蛋白髮現,ACTL6B可以特異性表達在大腦組織神經元細胞中,這提示了該基因很可能是一個具有重要功能的自閉症基因

更具暗示性的發現是,研究人員還從這135個患者中找到了6個互相獨立、且ACTL6B存在不同突變遺傳的家族,在這些家族的患者中都能觀察到癲癇的發生,同時並無性別差異的癥狀。


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緊接上述發現,ACTL6B基因不同突變均可能和自閉症的發生相關,那麼這些突變編碼的蛋白在生物體內是什麼情況呢?

研究人員利用慢病毒感染了HEK293T細胞株和ACTL6B敲除小鼠神經元,同時利用了2個自閉症患者的體外iPS神經幹細胞,都發現了ACTL6B蛋白低表達,這符合隱性遺傳疾病的特徵:即蛋白保守區域會發生鹼基刪除、移碼及錯義(truncating, frame shifting or missense)。

進一步的,在構建的ACTL6B(果蠅中該蛋白名為Bap55)敲除的果蠅模型中,研究人員發現只有表達完整的ACTL6B蛋白——而不是其各種突變體——才能逆轉其敲除引起的神經突觸特異性,從而明確了該蛋白的功能。

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在解析了該蛋白的作用後,接下來是需要進一步研究該蛋白是否會引起臨床組織結構病變及其位置。

研究人員比較了ACTL6B突變自閉症患者和對照健康人的核磁共振(MRI)結果,發現該類自閉症患者的大腦白質組織減少,並發生明顯的胝體發育不全現象

而在ACTL6B完全敲除的小鼠中,其小鼠腦部胼胝體厚度比正常小鼠減少了約20%,而皮層等其它部位並沒有發生顯著變化。由於胼胝體的減少正是臨床BAF突變型自閉症的診斷標誌,ACTL6B作為BAF的15個亞基之一,其臨床表型符合理論預期。

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在確認了ACTL6B突變患者的臨床表型之後,需要更多的實驗數據來進一步評估該基因突變對自閉症的影響

為此,研究人員利用ACTL6B敲除小鼠設計了各種社會行為學實驗,如三廂實驗、水迷宮實驗等,來數字化評估ACTL6B敲除後對小鼠社交能力、學習記憶能力、運動能力等的影響。

實驗發現,ACTL6B敲除對無論何種性別的小鼠,都會造成顯著的自閉症型行為變化,即社交能力下降、學習記憶能力下降和重複刻板行為提升。

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上述結果明確了ACTL6B基因在自閉症中的作用,那麼最後,還需要探究它是如何產生該作用的。

作者利用體外培養7天的ACTL6B敲除及正常胚胎皮層神經元細胞,進行了RNA測序和ATAC測序,結果發現503個mRNA表達上調的基因和383個mRNA表達下調的基因(FDR<5%)。

而其中令人感到意外的是,ACTL6B敲除組中,上調基因大部分會和早期轉錄因子Nr4a2及AP1家族蛋白基因頻繁地共表達。而這些基因一般在靜息態神經元中保持較低水平表達,只有在神經活動時才會快速被誘發表達來調控「晚期響應」基因。

為了進一步探究該現象,作者們利用KCl處理神經細胞模擬神經活動,再次進行了RNA測序,結果發現534個上調和237個下調的「早期響應」基因(FDR<5%),且其中典型基因JUN, FOS,FOSB等在自閉症臨床患者類器官模型中也得到了驗證。

因此,通過這些數據分析可以推測:ACTL6B對自閉症的影響可能是其通過抑制神經活動響應的轉錄程序而帶來的。

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未來研究方向

該項研究首次發現了SRAC自閉症人群中最明顯的突變基因ACTL6B, 並用細緻的實驗證據驗證了其對自閉症的影響,同時也探究了其機制。

神經活動依賴的轉錄抑制和自閉症的發生存在一定聯繫,大部分自閉症基因都會有遺傳背景或性別的影響,而ACTL6B在不同遺傳背景或性別都會引起自閉症的發生,這意味著該基因的敲除動物可能會是很好的的自閉症研究模型。

需要注意的是,雖然該項實驗已經進行了非常多的研究,但這還只是發現自閉症治療靶點的第一步

關於ACTL6B引起自閉症的具體分子機制在該項研究中並沒有詳細探究,其上下游信號通路也有待更充分的實驗來開拓,該基因是否還有其它的生物學功能亦是未知。因此,對於ACTL6B相關藥物的開發,未來還有很長的路要走。

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圖片源自Pexels,與研究內容無關

即便如此,於我們而言,這是一篇十分鐘就能看完的研究解讀;而於研究人員而言,這可能是數十人、數千甚至數萬個日夜的奮鬥成果,無論是今天分享這篇還是之前的文章,幾乎所有研究人員都是在該領域耕耘了數十年

但也正是有了這些科研人員的付出,我們才能對「醫藥治療」心懷期待。同時,我們也要正視攻克自閉症治療的難度,堅持用科學的、教育的方式進行干預——例如經《柳葉刀》發表證實的【家庭干預】法,最大程度發揮其作用,幫助孩子改善癥狀。



參考文獻

[1] Wenderski, W., Wang, L., Krokhotin, A., Walsh, J. J., Li, H., Shoji, H., Ghosh, S., George, R. D., Miller, E. L., Elias, L., Gillespie, M. A., Son, E. Y., Staahl, B. T., Baek, S. T., Stanley, V., Moncada, C., Shipony, Z., Linker, S. B., Marchetto, M., Gage, F. H., … Gleeson, J. G. (2020). Loss of the neural-specific BAF subunit ACTL6B relieves repression of early response genes and causes recessive autism. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 117(18), 10055–10066.


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