小鼠在体敲除GPR52基因可以显著拯救亨廷顿病的相关表型,为何导致疾病的蛋白在各种神经元表达

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小鼠在体敲除GPR52基因可以显著拯救亨廷顿病的相关表型,为何导致疾病的蛋白在各种神经元表达

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近日,我校遗传工程国家重点实验室鲁伯埙课题组领导的针对神经退行性病变亨廷顿病的研究取得重要突破,相关文章被高端期刊eLife接收,目前已在线发表。复旦大学是文章的第一单位及最终通讯单位。并列通讯单位包括国际协同单位贝勒医学院和国内合作单位浙江大学。该成果为神经退行性病变亨廷顿病领域的两个根本性问题的探索提供了重要信息,并可能推广至类似疾病。

近日,复旦大学鲁伯埙课题组针对神经退行性病变亨廷顿病的研究取得重要突破,发现了变异HTT蛋白积累的正反馈机制,对亨廷顿病
(Huntington’s
Disease,HD)疾病机制的理解提供了全新视角。此外,研究揭示了mHTT蛋白调控的激酶基因MAPK11及HIPK3,为HD疾病治疗提供了潜在新药靶。相关研究成果以《抑制MAPK11或HIPK3降低亨廷顿舞蹈病模型中的突变型亨廷顿蛋白水平》(Suppression
of MAPK11 or HIPK3 Reduces Mutant Huntingtin Levels in Huntington’s
Disease
Models)为题发表在《细胞研究》上。该研究为神经退行性病变亨廷顿病的药物研发提供两个重要靶点,并可能推广至类似疾病。

近日,中国科学院上海药物研究所研究员谢欣、胡有洪与复旦大学教授鲁伯埙等合作,发现GPR52的小分子拮抗剂对神经退行性病变亨廷顿病的潜在治疗作用。

神经退行性疾病是一种重要的遗传疾病,主要引起中枢神经系统特定神经元不正常死亡萎缩,导致神经功能严重缺陷,认知或运动功能障碍。神经退行性疾病中的亨廷顿病(Huntington’s
Disease,HD)由于遗传图景清晰,是此类疾病重要的模式疾病。目前此类疾病,包括亨廷顿病,没有任何根本性治疗的方法。

神经退行性疾病引起中枢神经系统特定神经元不正常死亡萎缩,导致神经功能严重缺陷,认知或运动功能障碍,是最重要的神经疾病之一。目前此类疾病尚没有可以改变疾病进程的根本性治疗方法。是神经退行性疾病中最主要的单基因遗传病。由于其遗传图景清晰,是此类疾病重要的模式疾病。遗传学证据表明,HD主要由突变基因HTT所表达的突变HTT蛋白的神经毒性所导致,因此HTT蛋白如何调控以及如何降低HTT蛋白水平至关重要,并且可能为疾病治疗提供重要药靶。

亨廷顿病与阿尔茨海默病、帕金森氏病和肌萎缩侧索硬化并称为四大神经退行性疾病,又称神经变性病(Neurodegenerative
Disorders)。该类疾病会随着时间推移而恶化,进而导致神经元退行变性、死亡,严重影响中、老年人健康,目前尚无根本性治疗手段。亨廷顿病是其中最主要的单基因遗传病,影响着全球近万分之一的人口,并有几倍于此的人群由于携带致病基因将会在中老年发病。由于遗传图景清晰,亨廷顿病也是神经变性病中重要的模式疾病。遗传学证据表明,亨廷顿病主要由突变基因HTT所表达的突变HTT蛋白的神经毒性所导致,因此降低HTT蛋白水平是治疗亨廷顿病极具前景的治疗方法。

围绕神经退行性疾病有两个关键的科学问题:第一、如何治疗神经退行性疾病?第二、为何此类疾病的神经元死亡存在细胞特异性?也就是说,为何导致疾病的蛋白在各种神经元表达,但是每种疾病中主要只有特定的一类神经元死亡最严重?

鲁伯埙实验室在两株独立的亨廷顿病人成纤维细胞中,通过高通量遗传学筛选检测了2600多个潜在的药靶基因对HTT蛋白水平的影响,并进行了针对细胞存活的对照筛选,发现了19个HTT蛋白水平的潜在调控基因。鲁伯埙课题组进一步在人类干细胞分化的亨廷顿病神经元进行了进一步筛选,检测变异HTT水平与神经元的存活,发现两者存在明显的负相关,系统性地证明了通过调控基因降低HTT蛋白水平可以增加神经元存活。其中,敲减11个HTT的调控基因在此神经元模型中也可以显着降低变异HTT水平并增加神经元存活。课题组选定这11个与HTT调控相关的基因进行深入研究。

鲁伯埙课题组发现一个G蛋白偶联受体GPR52与亨廷顿病的发生发展存在密切联系,小鼠在体敲除GPR52基因可以显著拯救亨廷顿病的相关表型,提示GPR52可能是潜在的HD治疗新靶点。此前没有任何关于GPR52特异性拮抗剂相关报道,上海药物所谢欣课题组采用高通量筛选方法,获得了特异性阻断GPR52的小分子化合物E7。该化合物在细胞、果蝇及小鼠模型上均可以有效降低mHTT水平,并有效拯救了HD相关表型,证明了靶向GPR52的小分子药物对疾病的潜在治疗作用。目前,上海药物所胡有洪课题组已着手对发现的化合物进行优化改造,以期发现成药性优良的GPR52拮抗剂。该研究发现已申请发明专利,还引起了国际药企Heptares等的关注,并进入签署合作协议阶段。

亨廷顿病主要由HTT基因突变产生的突变HTT蛋白的细胞毒性导致。尽管变异HTT蛋白广泛表达,亨廷顿病中的神经退行主要发生在大脑纹状体,特别是其中表达多巴胺受体二型(D2)的中间多棘神经元(medium
spiny
neuron)是最早死亡的一种。鲁伯埙实验室通过遗传学筛选发现富集于D2型中间多棘神经元的孤儿G蛋白偶联受体GPR52可以有效稳定纹状体的突变HTT蛋白,而非大脑皮层的突变HTT蛋白。因此,GPR52可能通过特异性地稳定纹状体神经元的突变HTT蛋白导致纹状体神经元对变异HTT蛋白更敏感,从而使其在亨廷顿病中更容易死亡。类似的机制也可能存在于其他神经退行性疾病。

鲁伯埙课题组验证了这11个基因中的两个激酶基因,MAPK11和HIPK3。两者在病人脑部神经元均有明显表达。敲减MAPK11或者HIPK3均能在各种亨廷顿病细胞模型及动物模型中显着降低HTT水平。有趣的是,这两个激酶只在HD细胞中才对HTT蛋白有调控作用,而在野生型细胞中没有发现这个现象。进一步实验证实MAPK11和HIPK3对HTT蛋白的调控依赖于变异HTT蛋白的存在,这是因为变异HTT蛋白会激活MAPK11和HIPK3,这样形成了正反馈循环,加速了疾病蛋白的积累,并由此参与了疾病的发生发展。研究进一步发现激酶MAPK11和HIPK3调控变异HTT蛋白水平的机制。
MAPK11通过调控HTT
mRNA的稳定性调控HTT蛋白水平,而HIPK3则通过磷酸化其底物DAXX调控自噬水平而影响HTT蛋白的降解。鲁伯埙课题组进一步检测了MAPK11和HIPK3作为亨廷顿病药靶的潜在可能性。MAPK11及HIPK3对HTT的调控均依赖于其各自激酶活性,而MAPK11和HIPK3的抑制剂在亨廷顿神经细胞模型中均能显着降低HTT蛋白水平,为靶向MAPK11或HIPK3的亨廷顿病的药物研发提供了分子水平实验验证。

相关研究成果以Targeting GPR52 lowers mutant HTT levels and rescues
Huntington’s disease-associated
phenotypes
为题发表在神经疾病领域期刊Brain上,复旦大学研究生宋海坤等和上海药物所郭世猛为论文共同第一作者,鲁伯埙和谢欣为共同通讯作者。著名神经科学家、美国斯坦福大学教授Aaron
Gitler为该成果撰写了专文评述。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委及复旦大学-上海药物所联合创新基金的资助。

鲁伯埙课题组进一步揭示了GPR52调控变异HTT蛋白稳定性的机制。此调控过程依赖于GPR52的G蛋白偶联受体活性和下游的第二信使cAMP,但是并不依赖于经典的cAMP感应蛋白PKA,而是依赖于小G蛋白介导的变异HTT的胞内运输。有趣的是,GPR52是一个单外显子基因,完全位于另外一个基因RABGAP1l的一个内含子中,且方向一致。进一步研究发现,RABGAP1l可以通过其对小G蛋白RAB39B的阻断,对抗GPR52的作用,为HTT蛋白提供相互平衡的调控。这是首次发现一个基因和它内含子所包含的基因在功能上直接相互联系。

本研究还在基因敲入的亨廷顿病小鼠在体模型中对MAPK11及HIPK3进行了验证。敲除MAPK11或HIPK3均能显着降低HTT蛋白水平与聚集,但敲除MAPK11起作用相对较早。小鼠行为学实验则证明敲除MAPK11可以有效挽救/缓解亨廷顿病小鼠的疾病引起的运动能力障碍,为靶向MAPK11提供了在体证据。

论文链接

鲁伯埙研究员多年来潜心致力于亨廷顿疾病发生发展机制研究,已在Nature
Neuroscience、Nature Chemical Biology、eLife等着名期刊上发表论文多篇。

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博士生于梦、博士后付玉华及博士生梁益坚为论文第一作者,复旦大学是文章的第一单位及唯一通讯单位,鲁伯埙研究员为本论文唯一通讯作者。该项研究获得国家自然科学基金重大研究计划培育项目及优青项目支持。

上海药物所等发现治疗亨廷顿病的小分子药物候选物

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