亨廷顿舞蹈症(HD)研究信息 用通俗的语言 由科学家撰写 为了全球HD社区而设

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蛋白质网络筛选识别出新的亨廷顿病治疗靶点

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‘发现驱动’的筛选发现一些参与亨廷顿病损伤的蛋白质网络&新型药物靶点

Carly Desmond撰写 关于2013年9月13日Dr Ed Wild编辑; Zhen Lu译制最早发布于2013年1月18日

变异亨廷顿蛋白自身并不会造成任何破坏 - 所有的蛋白质都是通过相互联结的网络工作的。加州巴克老龄研究所的学者们进行了一项大型筛选来检测那些可以缓解或恶化亨延顿突变所引起的有害影响的蛋白质网络。操纵这些网络可以为亨廷顿病提供新的治疗靶点吗?

亨廷顿蛋白:问题的根源

2013年是发现亨廷顿病的致病遗传因子的20周年纪念。人们第一次知道患有亨廷顿病的人有一个含有很长DNA重复序列的基因。我们每一个基因都会给细胞发部指令让它们制造出特定的蛋白质,其中亨廷顿基因所对应的蛋白质叫做亨廷顿蛋白。当这个基因指令突变的时候亨廷顿蛋白的产生就会出现错误,导致这个蛋白的细胞行为出现一些细微的变化。随着亨廷顿病病人的年龄增长,这些变化产生了严重的后果,尤其是在脑部的神经元中。

一个大的网可以捕到很多鱼,但处理这些鱼是一项繁琐的工作,而且还有可能捕到不想要的鱼。发现驱动的研究也是一样的 - 它可以产生大量数据,但需要认真仔细分析来避免错误的结论。
一个大的网可以捕到很多鱼,但处理这些鱼是一项繁琐的工作,而且还有可能捕到不想要的鱼。发现驱动的研究也是一样的 - 它可以产生大量数据,但需要认真仔细分析来避免错误的结论。

这个史无前例的发现使得科学家们可以把注意力集中在一个特定的工作上面;为了真正地了解这种疾病,他/她们需要尽可能地掌握有关亨廷顿蛋白的信息。这意味着不仅要知道亨廷顿蛋白在一个健康人体内有什么作用,还要知道在患有这种疾病的人体内到底是哪里出了问题。

一个蛋白质怎会如此重要?

在细胞中,蛋白质经常会有一些特殊的"作用"。为了便于理解,你可以把我们身体内的每一个细胞想像成一个繁忙的工厂。我们需要有很多不同的人做不同的工作来保证工厂可以顺利的经营下去。这些雇员中的每一个人都有自己特殊的技能,如果其中任何一个人出现了不能好好工作的情况,那么整个工厂的生产力就会处于一种危险的状态。

如果我们的细胞是工厂,那么这些蛋白质就是雇员。就像是每个工人一样,每个蛋白质都要做一系列的工作,或"功能"。在亨廷顿病中,亨廷顿蛋白发生了变异,而这就对它所做的工作产生影响。

就好比任何一个人都不可能把工厂里每一件工作都做了,每一个蛋白也不是完全单独工作的。取而代之,它做为蛋白质网络的一份子与其它蛋白相互影响,就像一个团队一样有效的工作。因此,为了了解一个蛋白的功能,科学家们也必须了解在细胞中这个蛋白和其它蛋白之间的关系。

据估计我们的DNA所提供的信息指令可以建造3万多种不同的蛋白。了解这些蛋白是怎样和其它蛋白联系以及它们是怎样被亨廷顿病影响成为一项压倒性的挑战。

假设与发现

为了帮助处理复杂的现代生物学,一些研究人员把科学研究从传统的“假设驱动”转向到“发现驱动”。

假设就是科学家们通过他们已经知道的知识而建立出来的预测。一个好的假设是很容易被检测的。举一个简单的例子:比如说我们假设猫喜欢吃鸡多过金枪鱼。一个检测这个假设的方法就是取两个碗,分别放这两种不同的食物。通过数靠近每个碗的猫的数量就可以获得证据来支持或反对这个假设。

只要你已经对你正在研究的东西了解很多,那么由假设驱动的研究就会运作的非常好。不过,如果想要知道一个蛋白质在由成千上万个其它蛋白质构成的网络中有什么作用,一次只问一个问题会让整个进程变得很慢。就好比你想从三万种猫粮中选择一种猫最喜欢的,但是你只能一次测试两种食物!

发现驱动的研究可以突出一些有可能有关疾病的生物过程。你可以说这个途径产出的不是答案而是更好的问题。它可以告诉研究者们要把未来的研究重心放在哪里。

发现驱动的实验叫做筛选,就是同时进行成千上万个小实验。

之前的研究已经发现一些蛋白质网络,但还有一些并没有在亨廷顿病中被提及。

从某种意义上来讲,生物筛选有点像用拖网代替鱼竿来捕鱼。这是一项功能很强大的技术,但它需要更多的精力把捕获之物进行分门别类。

用RNAi沉默个别基因

加州巴克老龄研究所的Robert Hughes博士近期在PLOS Genetics杂志上发表了一篇文章,该文章描述了用发现驱动的筛选寻找那些被变异亨廷顿蛋白所影响的蛋白质网络。Hughes博士领导的实验小组用一种叫做RNAi的技术找到了个别蛋白,这些蛋白可能有助于产生变异亨廷顿蛋白所引起的有害影响。

RNAi代表核糖核酸干扰,是‘基因沉默’的一种方式。RNAi被用来减少细胞中某一个蛋白质的表达水平。这可以帮助我们确定这个蛋白的功能以及它相对其它细胞活动的重要性。

RNAi阻断了当蛋白质合成时产生的化学信息,并且将它消灭 - 这可以阻止蛋白质的生成。事实上任何基因和它相对应的蛋白质都可以被RNAi沉默。

RNAi筛选和一些有毒的蛋白质片段

首先,Hughes小组在实验室里养了一些细胞,这些经过遗传改良的细胞可以表达变异亨廷顿蛋白中最有损害性的部分。这个变异亨廷顿蛋白片段可以使细胞在没有合适营养物质的情况下更快速的死亡。细胞的健康程度可以由测量细胞死亡时发生的变化来决定。

为了找出参与变异亨廷顿有害影响的蛋白,Hughes博士等人采用了一个由7000多个RNAi化学药品组成的“图书馆”。每一个RNAi化学药品都靶向一个不同的蛋白质。

单独的一批细胞应用一个RNAi化学药品,从而所有7000多个RNAi化学药品都被测试。用这种方法,研究者们能够分析出每一个被“关掉”的蛋白质的功能。如果沉默某个基因可以使细胞更快死亡,那么这暗示相应的蛋白在正常情况下可能是起细胞保护作用的。如果细胞死的更慢,这意味着在亨廷顿病中这个蛋白可以使事情变得更糟。

捣弄数字

这种实验会产生大批数据,因此我们要用电脑来分析并解释这些数据。值得庆幸的是,之前相对比较传统的科学方法已经制定出许多蛋白质网络图。

电脑制作出一个新的图,并把从新数据中得到的“候选者”添加到已有的网络图中。Hughes小组用这个技术发现了一些网络比预期中要有更多的候选者,这意味着它们有可能对亨廷顿病的发展有重要作用。

所有的蛋白质,包括亨廷顿蛋白,是在网络中和其它蛋白质一起工作的。把注意力放在这些网络而不是单一的蛋白质是把从此类筛选中得到的数据变成有意义的东西的一条好方法。
所有的蛋白质,包括亨廷顿蛋白,是在网络中和其它蛋白质一起工作的。把注意力放在这些网络而不是单一的蛋白质是把从此类筛选中得到的数据变成有意义的东西的一条好方法。

他们发现的其中一些网络是之前的研究就已得知的,这给他们提供了足够的信心,他们“发现驱动”的实验方法是可行的。然而,他们还发现一些从未被报导参与亨廷顿病的网络。这次筛选发现了一个特别的网络,它通过一个叫做RRAS的蛋白质与亨廷顿蛋白相联系。

考虑到这些庞大的数字,分别进行一些后续实验来证实那些最显著的发现变得尤其重要。因此Hughes小组几种不同的细胞模型以及亨廷顿病果蝇模型做了实验。他们发现RRAS可以防止细胞死亡。更好的是,他们能够更精确的找出这些蛋白质在网络中的特定功能,这将有可能是用药物治疗的最容易的靶点。

了解我们的局限性

这项研究最令人兴奋的就是它显示了有可能参与亨廷顿病的新网络。然而,就像不可能有足够大的鱼网可以把所有海里的鱼捕获一样,这项工作也很有可能漏掉了一些其它重要的蛋白质网络。

其中一个原因就是这个筛选用的是细胞模型。研究者们只让细胞表达亨廷顿蛋白的一个小片段而不是整个蛋白质。这意味着任何依赖整体亨廷顿蛋白的蛋白质或网络都可能被漏掉。

另外一个因素是这个实验中用的细胞型。这项工作用的是一种叫做HEK293的市售细胞。这些细胞很容易为这类实验以大规模的形式养殖。这些经过处理的细胞纵然有随和的特性,但它们再也不会像体内正常,健康的细胞那样运作 - 想当然,它们会和神经细胞相差甚远。

为了弥补初始筛选实验的不足,我们又用表达完整亨廷顿蛋白的细胞以及更高级的果蝇模型测试所有的RNAi“候选者”,并且还用亨廷顿老鼠模型来检测RRAS网络。

下一步是什么?

这项工作代表了部分研究者的努力工作。生物筛选需要很多认真周密的计划!然而,既然已经熟悉掌握这项研究,这个小组会继续用表达完整亨廷顿蛋白的细胞进行一项类似的实验。

对于目前筛选所得到的“候选者”,我们还有很多东西需要探索。其中一点就是用更加“精确”的细胞模型,例如来自亨廷顿病人的干细胞,来调查RRAS网络 - 或者重复筛选。

无论这项研究的未来前景如何,它还是一个代表发现驱动的研究可以引出新的目标和想法的好例子,然而我们仍深知这项技术的局限性。我们期待了解更多有关这些蛋白质网络是怎样影响亨廷顿病的发展,以及怎样调控它们来发现新的治疗方法。