调低错配修复基因可减缓人类神经元中亨廷顿舞蹈症重复序列的增长

科学家利用亨廷顿舞蹈症（HD）患者的细胞，测试了降低 DNA 修复基因水平是否能减缓有害 CAG 重复序列的增长。在实验室培养的这些人类细胞中，重复序列的增长速度确实变慢了，这表明一种潜在的治疗策略可能推迟疾病的发病和进展，尽管这项工作仍处于早期阶段。

为什么 CAG 重复序列扩增在 HD 中至关重要

HD 是由 huntingtin 基因（通常简称为 HTT）中一段异常长的三个 DNA 字母 CAG 引起的。通常，扩增的 CAG 重复序列长度越长，患者出现 HD 症状的时间越早，疾病进展也越快。

我们现在知道，对于 HD 患者来说，一个人继承的 CAG 长度并非终生固定不变。在某些细胞中，特别是大脑中部一个被称为纹状体的区域，CAG 重复序列会在多年间缓慢增长。这一过程被称为体细胞扩增——即 CAG 重复序列在“体细胞”或身体细胞中的扩增。

来自人类脑组织和 HD 动物模型的证据表明，这种额外的增长（体细胞扩增）是导致这些神经元脆弱的重要驱动因素，也是推动疾病进展的主要因素。

DNA 修复：CAG 扩增的关键驱动因素

我们的 DNA 不断受到太阳紫外线照射、环境污染物和细胞内部压力等因素的损害。但细胞一直在努力修复 DNA 中的这种损伤。负责维持遗传物质完整性的一个关键系统被称为错配修复（MMR）。它的作用就像一个分子校对器，定位并纠正微小的错误以维持遗传完整性。

然而，HTT 基因中高度重复的 CAG 序列在结构上是不稳定的，可以形成不寻常的形状，例如 DNA 环。当 MMR 系统的组件遇到这些奇怪的结构时，修复过程被认为会误读 DNA 字母代码，有点像校对系统接受了拼写错误。

MMR 系统的这些校对错误可能导致额外重复序列的加入。在这种情况下，通常保护遗传密码的 MMR 系统无意中成为了驱动 CAG 重复序列有害扩增的主要机制。

MMR 在导致 HD 中的这种破坏性作用得到了长期研究的有力支持。在 HD 患者中进行的大规模遗传研究（即全基因组关联研究，GWAS）通过在几个与 MMR 相关的基因中识别出改变症状开始年龄的天然遗传差异（变体），证实了这种联系。

这些发现确立了引人注目的治疗策略。如果我们能够安全地降低特定 MMR 基因的活性或水平，我们或许能够从源头上有效减缓这一扩增过程。

研究人类 HD 神经元中的错配修复

大多数早期关于错配修复和 CAG 扩增的研究使用的是 HD 模型小鼠或在培养皿中生长的人类细胞。在伦敦大学学院 Sarah Tabrizi 博士领导的一项最新研究中，研究人员使用了一个与人类更直接相关的系统。

他们首先使用了由一名患有青少年发病型 HD 的七岁女孩捐赠的皮肤细胞，她携带了超过 125 个超长扩增 CAG 重复序列的 HTT 基因。科学家们添加了诱导分子，使皮肤细胞变成干细胞，这些干细胞具有自我更新能力，并可以被引导变成各种细胞类型，包括脑细胞。

通过在不同时间点添加不同化学物质的方案，团队将 HD 干细胞转化为富含中型多棘神经元（MSN）的脑细胞，这些神经元存在于纹状体中，纹状体是受 HD 严重影响的大脑核心区域。已知 MSN 是在 HD 中特别容易发生退化的特定脑细胞。研究人员持续测量分裂干细胞和这些脑细胞培养物中的 CAG 重复序列长度，以监测重复序列长度随时间的变化。

使用分子调光开关

为了测试错配修复的作用，他们使用了一种强大的遗传工具，称为 CRISPR 干扰（CRISPRi）。CRISPRi 作为一个分子系统，可以精确地一次降低单个基因的活性。该系统与标准的基因编辑不同，因为它不切割 DNA。相反，它使用一种你可以将其视为分子剪刀的分子，称为 Cas9，它在分子水平上被固定在一个调光开关上，可以有效降低靶蛋白的水平。

团队使用 CRISPRi 降低了在人类遗传研究（GWAS）中识别出的错配修复基因的活性。他们还针对了那些 MMR 基因的伙伴。目标基因包括来自多蛋白复合物家族的组件：MutS 家族（MSH2、MSH3、MSH6）和 MutL 家族（MLH1、PMS1, PMS2、MLH3），以及 DNA 连接酶 1（LIG1）。

该研究的目标是将它们的活性降低到治疗药物可行达到的水平，而不是完全消除这些基因。这种方法使他们能够更真实地模拟可能开发的治疗方法，或模仿那些在症状发病较晚的 HD 患者中发现的天然变体。

接下来，研究人员检查了他们的实验是否成功，因此他们进行了另一项名为“MMR 缺陷分析”的实验。这使他们能够确认他们确实降低了 MMR 靶基因的活性。为此，他们用一种模拟 DNA 损伤的化学物质处理细胞。在具有完全功能的 MMR 系统的细胞中，这种化学物质通常会触发细胞死亡。但如果 MMR 功能受损，细胞就能存活。

实验证实，修改后细胞中的 MMR 系统被削弱，与对照组相比，细胞存活率增加。重要的是，功能的降低并非完全丧失，这符合部分降低的目标，并为研究人员提供了一个可以在分子水平上调节这些基因水平的系统，使其调低而非关闭。

调低 MMR 基因对 CAG 扩增的影响

最后，他们观察了分裂干细胞和特化纹状体神经元中 CAG 重复序列扩增的速率，比较了在降低和不降低错配修复基因活性情况下的扩增速率。

在 HD 干细胞中，CAG 重复序列通常随时间增长，这是预料之中的。但当使用 CRISPRi 调低几个错配修复基因时，这种增长变慢了，这表明团队的理论是正确的！当团队减少主要的 MutS 组件（MSH2 和 MSH3）和核心 MutL 组件（MLH1）时，减缓效果最强。降低这些基因使分裂干细胞中的扩增速率降低了 60% 到 65%，而其他 MutL 因子（PMS1、PMS2 和 MLH3）使速率降低了 25-35%。

最重要的是，在由同一 HD 干细胞制成的脑细胞培养物中也观察到了类似的模式。研究人员战略性地专注于神经元中的 MutL 因子（PMS1、PMS2 和 MLH3），因为早期的干细胞实验排除了 MSH6 和 LIG1，而 MSH2 由于癌症风险而存在潜在的安全担忧。他们也没有对 MSH3 进行深入研究，因为它正作为其他地方的治疗靶点被积极探索。

在神经元中，调低 MLH1 后，这种扩增减缓了 69%，而针对 PMS1、PMS2 或 MLH3 与对照细胞相比也使扩增减缓了 20% 以上。这表明错配修复仍然是人类 HD 神经元体细胞扩增的关键驱动因素，而不仅仅是在分裂干细胞或小鼠中。此外，它表明通过调整这些特定 MMR 基因的水平，研究人员可能能够显著减缓体细胞扩增。这是一个非常令人兴奋的前景！

研究发现了什么以及它没有显示什么

简而言之，这项研究的核心信息是：在由 HD 患者细胞培养出的培养皿人类神经元中，调低错配修复基因似乎足以减缓有害 CAG 重复序列的增长。

这项工作为“抗扩增”疗法的构想提供了鼓舞。同时，必须明确这项研究没有显示的内容。所有的工作都是在培养皿中的细胞中完成的，而不是在活体大脑中。研究仅使用了一个具有极长重复序列的青少年发病型 HD 干细胞系。

该研究测量了 CAG 重复序列的长度及其分布。它没有测试神经元的存活、行为或大脑功能。它也没有涉及长期安全性。错配修复基因有助于保护所有组织免受癌症侵害，改变它们在人体内的活性带有致癌风险，尤其是因为 MSH2 和 MLH1 等基因的缺失与神经系统癌症风险显著增加有关，PMS2 也带有一定的风险。

这项工作提供的是一份在人类 HD 背景下看起来很有希望的错配修复基因候选名单，突出了 MutL 家族成员，特别是 PMS1，作为潜在靶点。它支持了这样一种观点：谨慎地降低选定错配修复基因的活性（可能是适度降低，并可能结合使用）可能是减缓 CAG 扩增的一种有价值的方法。这些信息可以帮助指导未来疗法的设计和优先级排序，这些疗法的目标不仅是治疗症状，还要改变亨廷顿舞蹈症本身的进程。

摘要

• 错配修复驱动人类神经元中的 CAG 扩增：研究人员利用实验室培养皿中培养的 HD 患者脑细胞，证实了错配修复系统驱动人类神经元中 CAG 重复序列的增长，而不仅仅是在小鼠或分裂细胞中。
• 调低修复基因可减缓扩增：通过部分降低特定错配修复基因的活性，团队使神经元中的 CAG 重复序列增长减缓了高达 69%，MutL 家族成员（特别是 PMS1）成为潜在的治疗靶点。
• 遗传学发现现在有了人类细胞的实验支持：大型遗传学研究此前指出错配修复基因是 HD 发病的调节因子。这项研究证实了它们在实验室培养皿中生长的人类神经元中的作用，并有助于确定哪些基因是优先靶点。虽然这项工作是在培养皿中的单一细胞系中完成的，但它是迈向旨在减缓 CAG 扩增疗法的重要一步。