科學家發現新策略,有望“解凍”漸凍人!
2019.05.29

近日,中科院神經科學研究所徐進課題組以“重新激活無義介導的mRNA降解通路可有效對抗C9orf72雙肽重復序列的神經毒性”為題,在期刊Brain(IF=10.8)發表了一篇關于肌萎縮側索硬化癥的最新研究。在這項研究中,安諾基因承擔轉錄組測序工作。


肌萎縮側索硬化癥(ALS)是一種嚴重的神經退行性疾病,目前沒有有效的治療方法。在我國通常將肌萎縮側索硬化癥與運動神經元病混用,俗稱漸凍人癥。一旦確診,患者多在3-5年內去世,著名的物理學家霍金就曾遭受此疾病的困擾。目前對這種疾病有效的干預治療的研究情況是什么樣的呢?小編帶大家一看究竟吧~


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研究亮點


研究發現C9orf72六核苷酸重復擴增(HRE)的雙肽重復序列(DPR)對無義介導的mRNA降解通路(NMD)有抑制作用。NMD是細胞中清除有害、錯誤RNA產物的一種監測及防御機制,NMD的抑制可能是由于表達富含精氨酸的DPR的細胞中P-body(processing bodies)的減少所致。研究人員在細胞和果蠅模型中證明,通過遺傳和藥理方法重新激活NMD通路可以阻礙C9orf72富含精氨酸的DPR誘導的神經毒性,最后確定了曲尼司特(tranilast)為NMD激活藥物。


研究思路


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研究結果


1. C9orf72患者中NMD的抑制


為了評估C9orf72 HRE 患者的NMD途徑是否受到干擾,將不同C9orf72 ALS相關來源的已發表的轉錄組數據與來自具有NMD缺陷的人細胞的轉錄組數據進行無偏生物信息學分析,發現在C9orf72 ALS小腦組織和NMD缺陷的人細胞之間存在大量重疊的基因。通過GO分析發現,在這些重疊的基因中,應激反應和免疫系統相關基因顯著富集,同時對各個比較組的重疊基因進行深入分析,發現NMD調控的mRNA積累是一種與C9orf72產物特異相關的效應。


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2. 富含精氨酸的C9orf72雙肽重復序列抑制NMD


研究人員利用果蠅模型,通過RNA-seq分析來評估C9orf72 HRE產物在體內是否會影響NMD的正常表達。作者研究了HRE和含有36個重復序列的脯氨酸-精氨酸雙肽(PR36)對果蠅NMD基因表達的影響。將表達HRE36或PR36的5日齡果蠅的腦轉錄組數據與由UPF1缺失引起NMD通路缺陷的果蠅轉錄組數據進行了比較分析發現,這兩組中由于NMD被抑制而導致底物基因積累,其中36%的基因相同。結果表明,C9orf72富含精氨酸DPR的表達可能導致果蠅NMD的抑制。之后,研究人員在人神經母細胞瘤細胞系(SH-SY5Y)和小鼠腦中進行了驗證。


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3. C9orf72雙肽重復序列通過減少P-body豐度而抑制NMD


研究人員用免疫熒光標記技術對P-body和應激顆粒進行研究,發現在表達富含精氨酸的DPR細胞中應激顆粒的增加可能導致P-body的減少,即C9orf72富含精氨酸的DPR可通過減少P-body的豐度而抑制NMD。


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注:GR36:甘氨酸精氨酸36個重復序列;GFP-GR36:毒性比未加標簽的GR36低,但毒性與PR36相當。


4. 激活NMD通路可以阻礙雙肽重復序列的毒性


UPF1是啟動NMD的關鍵蛋白,研究發現在人SH-SY5Y細胞中UPF1的表達可以有效地防止HRE36引起的細胞凋亡;在果蠅模型中UPF1能逆轉4種NMD底物的積累,并能有效地挽救PR36引起的運動神經元和軸突投射的丟失。通過在人和果蠅實驗中的研究表明,通過增加NMD通路中核心蛋白的表達可恢復NMD的活性,從而阻礙富含精氨酸的DPR引起的神經毒性。


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此外,研究人員研究了四種化合物(tranilast, nifulumic acid, febuxostat and nitazoxanide),在人SH-SY5Y細胞中,研究發現曲尼司特可有效地重新激活NMD活性,有效地抑制GFP-GR36或HRE36誘導的細胞凋亡。在果蠅實驗中,經曲尼司特處理后,果蠅蛹數顯著增加,成體存活率和運動功能顯著增強。因此,曲尼司特可解除C9orf72 DPR對人細胞和果蠅的神經毒性。


結論


該項研究揭示了導致肌萎縮性側索硬化癥的新機制,證實了激活無義介導的mRNA降解通路可以作為治療ALS的新策略,發現了一種現用于治療哮喘的藥物有可能成為治療ALS的新藥。


文章科普


無義介導的mRNA降解通路(nonsense-mediated mRNA decay,NMD):一種廣泛存在于真核細胞中的mRNA質量監控機制,該機制能識別并降解含有提前終止密碼子的轉錄產物以防止毒性蛋白的產生。

C9orf72基因突變:導致肌萎縮側索硬化癥的最主要的突變形式,該突變由GGGGCC長重復序列插入C9orf72基因的內含子中造成。

HRE(hexanucleotide repeat expansion):六核苷酸重復擴增(GGGGCC)。

DPR(dipeptide repeat):雙肽重復序列。

P-body(processing bodies):NMD機制中的關鍵成分,它是一種無膜的核糖核蛋白顆粒,富含蛋白質,參與RNA的降解。

曲尼司特(tranilast):抗變態反應藥,可用于支氣管哮喘及過敏性鼻炎的預防性治療。

UPF1:NMD通路激活所必需的保守的基本調控蛋白,可促進核酸內切酶和核酸外切酶對mRNA的切割。

應激顆粒(stress granules):一種核糖核蛋白顆粒,在應對細胞內環境變化時起著重要的作用。

PR36(proline-arginine dipeptide with 36 repeats):脯氨酸-精氨酸雙肽36個重復序列。

GR36(glycine-arginine dipeptide with 36 repeats):甘氨酸-精氨酸雙肽36個重復序列。

GFP-GR36:用GFP(綠色螢光蛋白)標記的GR36,它的毒性比未標記的GR36低,但毒性與PR36相當。


安諾基因在轉錄組測序方面擁有多樣化的產品類型,涵蓋了普通轉錄組測序產品、醫學轉錄組測序產品、lncRNA測序產品、醫學lncRNA測序產品、circRNA測序產品、全轉錄組測序產品等,各類型產品均具有豐富的項目經驗及物種經驗,擁有專業的實驗團隊、分析團隊以及領先的二代、三代測序平臺,為大家提供高質量的測序服務,滿足廣大科研工作者們的研究需求,一切只為助力科研。


參考文獻


Xu Wangchao, Bao Puhua, Jiang Xin, et al. Reactivation of nonsense-mediated mRNA decay protects against C9orf72 dipeptide-repeat neurotoxicity[J]. Brain, 2019, 142: 1349-1364.


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