击倒制胜：CAG扩增如何驱动疾病发展

亨廷顿舞蹈症（HD）是由亨廷顿基因遗传密码中额外重复的 DNA 字母 CAG 引起的。我们过去认为这些 CAG 长度在大多数组织中是稳定的，但现在我们越来越了解 CAG 不稳定性对 HD 的影响。体细胞不稳定性是指 CAG 重复在某些类型的细胞中随时间扩增的概念，特别是在 HD 中易受影响的细胞。许多科学家认为这个过程可能在加速症状发展中起作用。

一篇最新论文深入研究了这一现象背后的一些机制，探讨 CAG 扩增如何与疾病相关联，以及科学如何利用 DNA 修复基因作为 HD 的治疗方法。

从人类到动物…再回到人类

我们目前对 CAG 重复序列扩展现象的理解源于大型人体研究，其中 HD 患者捐赠了样本和临床数据。他们的贡献使科学家能够将人们基因的细微差异与他们出现 HD 症状的年龄联系起来。这些研究，被称为全基因组关联研究，或 GWAS（发音为 ‘gee-wass’），表明某些 DNA 变异可以大大加速或延迟 HD 的发病。

在这些研究中被确定需要进一步研究的许多基因属于帮助修复 DNA 的基因家族。过去几年里，大量研究活动使我们对 HD 和 CAG 扩增有了一些新的认识。在我们深入探讨这个主题的新数据之前，这里是一个简要回顾：

• 当试图“纠正”超长的 CAG 重复序列时，DNA 修复机制可能会出错 – 意外地使它们越来越长！

• 这种情况在绝大多数细胞中并不发生，但在控制情绪、运动和动机的大脑区域纹状体中似乎经常发生。研究纹状体中的 CAG 扩增可能使我们更接近理解为什么这些细胞在 HD 中如此脆弱。

• 一些研究发现，当 CAG 重复达到约 150 个重复的阈值时，细胞损伤开始加速。

• 实验性的“敲除”或 DNA 修复基因的基因移除已知会在 CAG 上出错，可以减缓甚至停止 HD 实验室模型中 CAG 重复序列的扩展。

• 其中一些基因，如 Msh3，是正在开发的人类 HD 治疗的靶点 – 但我们仍需要更多地了解它们如何影响 HD 生物学，以及敲除它们的后果（正面和负面）。

实验设置

这篇最新论文的作者，由加州大学洛杉矶分校（UCLA）的 X. William Yang 领导，采取了直接而全面的方法来探索 DNA 修复基因、CAG 扩增、脑细胞健康，甚至行为之间的联系。

他们选择了一组在人类 GWAS 研究中确定的九个基因，这些基因构成了执行某种类型 DNA 修复的机制的一部分，这种修复驱动了 CAG 延长的“哎呀”。然后，他们利用专门的小鼠遗传学和育种方案来创建缺失这些 DNA 修复基因的一个或两个拷贝的 HD 小鼠。

在这些缺失 Msh3、Pms1、Mlh1 等基因的 HD 小鼠中，他们可以更多地了解干扰 DNA 修复如何影响 CAG 扩增、RNA 信息产生（实验室的专长）、有毒亨廷顿蛋白积累和 HD 的其他特征。他们惊讶地发现，一些基因敲除产生了深远的积极影响，而其他则完全没有效果。他们的发现对我们理解 HD 生物学和治疗方法的开发都很有价值。

逆转 RNA 变化

我们的 DNA 由专门的机制读取或“转录”以产生 RNA 信息，这些信息最终用于制造蛋白质，即生命的基石。科学的一个完整分支探索由不同基因产生的 RNA 信息的位置和数量 – 这是转录组学领域。

科学家可以通过观察数千个基因并询问哪些基因在不同细胞中正常开启和关闭，以及每种 RNA 信息存在多少来定义健康小鼠的“转录组”。然后，他们可以观察到 HD 小鼠的转录组如何随时间变化，或者进行实验以查看哪些可能有助于将小鼠的 RNA 水平恢复到正常水平。

杨实验室正在研究一种模拟 HD 的小鼠，与普通小鼠相比，它在转录组中显示出重大变化。许多基因产生的 RNA 比它们应该产生的多或少，尤其是在中等多棘神经元中，这些细胞在 HD 中最容易受到攻击。当杨实验室“敲除”其 HD 小鼠模型中一半的 Msh3 和 Pms1 时，他们发现中等多棘神经元中的 RNA 变化部分逆转。随着 Msh3 或 Pms1 完全消失，RNA 变化几乎完全逆转，通常持续长达一年（对于实验小鼠来说是半辈子！）。敲除另外几个基因 – Msh2 和 Mlh1 – 也产生了一些逆转效果，但这些效果更为温和。一些基因敲除根本没有效果。

杨实验室的成员是研究 HD 转录组学的世界专家，他们使用了多种尖端的实验室技术以及不同的统计方法来确认他们的结果。他们检查了许多细胞中的 RNA 水平，直至单个细胞的水平，并且还研究了 DNA 如何紧密地缠绕在其“线轴”上，即染色质。在所有情况下，敲除 Msh3 和 Pms1 似乎都能逆转与 HD 相关的变化。

平息 CAG 和蛋白质聚集

同时，Yang 实验室测量了体细胞不稳定性 – CAG 重复的延长 – 在大脑和身体不同部位的数量。在这种类型的 HD 小鼠中，CAG 重复随时间增加，特别是在纹状体的细胞中。事实上，该组使用统计学来定义这些易受影响的小鼠脑细胞中 CAG 扩增的速率：每月约 8.8 个 CAG 重复。（这些扩增率不适用于人类 – 这些小鼠开始时有 140 个重复，是为实验设计的。）

令人兴奋的发现是，当小鼠的 Msh3 或 Pms1 减少或没有时，这个速率大大降低。事实上，移除两个拷贝的 Msh3 将该速率降低到每月 0.3 个额外的 CAG 重复，一直持续到 20 个月大 – 这基本上是一个稳定的重复长度，在一只老鼠身上！

同时，Yang 和同事观察到，具有一半或没有 Msh3 或 Pms1 的 HD 小鼠在纹状体中也有少得多的亨廷顿蛋白聚集。这些聚集的积累是 HD 的一个经典特征，许多科学家怀疑可能对脑细胞有毒。移除 Msh3 也防止了亨廷顿蛋白在大脑其他区域的聚集形成。聚集的亨廷顿蛋白的数量似乎与他们之前看到的异常 RNA 变化的数量相对应。

此外，他们能够确认其他实验室的结果，表明似乎存在一个 CAG 重复的阈值 – 大约 150 个 – 超过这个阈值，细胞开始经历更多的压力。他们将这个阈值与更高水平的 RNA 变化联系起来：CAG 扩增加速并加重这种压力。

预防大脑和行为变化

我们喜欢数学和多面板彩虹图，但看到遗传学和行为健康之间的联系更令人兴奋。这项工作代表进步的一个方面是，作者展示了阻止 CAG 扩增的基因敲除如何也能影响脑细胞和小鼠的运动。

这种类型的 HD 小鼠往往会显示神经元之间连接（即突触）的变化，以及支持细胞星形胶质细胞的肿大。这些小鼠的步态和运动也有问题。然而，当研究人员敲除 Msh3 时，他们不再观察到小鼠中任何这些与 HD 相关的变化。这进一步证明了 Msh3 在 HD 中的作用，并表明它是一个良好的药物靶点。

注意，这并不是论文的主要重点 – 他们只研究了脑健康的几个特征和一个行为任务 – 但这仍然是一个有希望的联系。

小步前进推动未来治疗

您可能已经注意到，HDBuzz 一段时间以来一直在强调体细胞不稳定性（大声且频繁地），并且我们已经提出了许多类似的信息：CAG 重复序列扩展似乎正在导致 HD，并且科学家已经确定了一些对抗它的方法。这项工作也不例外；再一次，像 Msh3 和 Pms1 这样的基因是罪魁祸首，可以通过“敲除”在一种 HD 小鼠的大脑中获得巨大的益处。

所有这些个别进展可能看起来很小，但像这样的出版物代表了一个大团队多年的合作成果，由国际 HD 科学家社区的频繁投入所塑造。我们选择突出这篇特定的论文，是因为它将 CAG 扩增、异常 RNA 信息以及脑健康和行为的变化联系起来。

作者警告说，我们需要更多信息来真正理解 Msh3 和 Pms1 与 HD 症状之间的联系。他们也承认，就像我们一直说的那样，小鼠不是人类。这些小鼠特别是在生命开始时每个细胞中就有 140 个 CAG，这比大多数人类青少年 HD 病例都要高得多。CAG 重复在人类中的扩增速度远不如这些实验小鼠快。

尽管如此，他们的数据，连同其他实验室不懈努力理解 HD 的数据，为开发基于 Msh3 和 Pms1 的治疗方法提供了有力的论据。而且这些努力确实正在进行中！

了解更多

• 不同的错配修复复合体基因决定神经元 CAG 重复扩增率，从而驱动 HD 小鼠的选择性发病（开放获取）