“我覺得好像我的葉子都要掉光了,風雨裹挾著我的枝葉,我...我再也沒有棲身之地了。”一聲令人心碎的獨白,來自電影《困在時間里的父親》阿爾茲海默癥老人安東尼迷失在時間里的最后一聲嘆息。
如果把人比作一棵樹,那么葉子就是回憶、情感以及生命力的象征。阿爾茲海默癥最可怕的地方在于它能秋風掃落葉一般奪走患者的記憶、感知,甚至作為人的尊嚴。今天《每周一鼠》和大家見面的就是與阿爾茲海默癥相關(guān)的Psen1基因編輯小鼠。
Psen1基因
遺傳性的阿爾茲海默癥(AD)患者一般都攜帶突變的早老素蛋白(PSEN1,PSEN2)或淀粉樣前體蛋白(APP)。這些突變導致長鏈的淀粉樣蛋白-β大量累積(AD患者腦中發(fā)現(xiàn)的淀粉樣蛋白沉積物中的主要成分)。
研究人員發(fā)現(xiàn),Psen1可以通過影響γ-分泌酶(一種裂解APP的酶)進而調(diào)控APP的加工。除此之外,Psen1可以通過直接調(diào)節(jié)γ-分泌酶活性或通過其自身酶活參與Notch信號通路中受體的裂解。目前,研究人員已經(jīng)鑒定出了該基因的多種可變剪接轉(zhuǎn)錄本,但只有部分轉(zhuǎn)錄本有確定的功能[1]。
圖1. Psen1蛋白結(jié)構(gòu)[2]。
阿爾茲海默癥
阿爾茲海默癥(AD)是一種常見于老年人的神經(jīng)退行性疾病,其主要病理變化是大腦皮質(zhì)彌散性萎縮、神經(jīng)原纖維纏結(jié)和神經(jīng)細胞間大量老年斑形成等,進行性認知障礙和記憶功能減退是其主要臨床癥狀。
老年期常見的癡呆有兩種,即阿爾茲海默癥(AD)和血管性癡呆:血管性癡呆是老年性癡呆的先兆,是腦血管疾病導致腦功能下降的結(jié)果;阿爾茲海默癥是一種進行性、不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)退行性疾病,約占所有癡呆病例的60%-80%,如圖2[3]。
圖2.老年癡呆的分類與比較[3]。
AD的病理學特征為腦部胞內(nèi)過磷酸化tau蛋白形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles, NFT)和胞外β-淀粉樣蛋白(amyloid β, Aβ)聚集形成的老年斑(senile plaques, SP)。
目前AD發(fā)病機制主流學說——淀粉樣蛋白級聯(lián)學說認為,是Aβ生成和清除的失衡導致AD的發(fā)生。PSEN1、PSEN2 和APP基因突變是通過影響APP加工剪切過程,使得Aβ的產(chǎn)量絕對增加或相對增加,觸發(fā)一系列級聯(lián)反應(yīng)從而導致AD發(fā)生。淀粉樣蛋白假說仍然是在臨床研究中描述AD的主要框架,并且繼續(xù)影響AD潛在治療的開發(fā)[4]。
圖3. 淀粉樣蛋白假說病理學變化[3]。
《2019年世界老年癡呆癥報告》統(tǒng)計顯示全球每3秒鐘就有1例癡呆患者確診,其中2/3癡呆患者將發(fā)展成AD,到2050年全球患AD的人數(shù)將從4700萬上升至1.31億。目前,我國每年平均有30萬新發(fā)病例[5]。
阿爾茲海默病的主流檢測方法包括:神經(jīng)影像學檢查、腦脊液CSF檢查、外周血抗體檢查及外泌體檢查,目前主要的診斷方式是聯(lián)合診斷[3]。
Psen1基因編輯小鼠
1●Psen1基因敲除小鼠
Psen1基因敲除純合小鼠表現(xiàn)出骨骼畸形、Notch信號傳導減弱、神經(jīng)干細胞缺乏導致的腦生長受損、腦出血、淀粉樣前體蛋白切割異常、出生前后死亡的現(xiàn)象[6]。
2●Psen1點突變小鼠
之前的研究顯示,APP蛋白經(jīng)過β-分泌酶蛋白水解產(chǎn)生CTF-β,而CTF-β還是γ-分泌酶的底物。γ-分泌酶首先通過內(nèi)肽酶樣切割的方式(ε-切割)切割CTF-β,并產(chǎn)生長鏈β-淀粉樣蛋白(Aβ)、Aβ48和Aβ49(圖4a)。隨后,γ-分泌酶通過羧肽酶樣的切割(γ-切割)來水解長鏈Aβ,并產(chǎn)生更小長度的Aβ。
研究顯示,家族性AD患者的Aβ肽發(fā)生了改變:在健康的人群中,Aβ40(由40個氨基酸組成)占比較高,并且不會聚集。相比之下,類似Aβ42和Aβ一樣較長的Aβ在家族性AD患者的大腦中則表現(xiàn)出更高的致病性并且易于聚集[7]。
研究人員的WB實驗結(jié)果顯示全長APP和CTF-β&α在Psen1-P436S雜合小鼠中并沒有改變(圖4b)。接下來,研究人員對Psen1-P436S雜合小鼠大腦中的Aβ40和Aβ42進行了酶聯(lián)免疫吸附檢測(ELISA)(圖4c-h)。在鹽酸胍(GuHCl)可溶性部分中,P436S雜合小鼠的Aβ40減少而Aβ42增加(圖4f-h),Aβ42/Aβ40的比率相較野生型小鼠增加了1.7倍。
在使用Tris-HCl緩沖鹽溶液時,相類似的實驗結(jié)果也得到了部分重現(xiàn)(圖4c-e)。這些結(jié)果表明,在小鼠體內(nèi)引入Psen1-P436S突變會改變γ-分泌酶的羧肽酶樣裂解(γ-裂解)活性。
但值得注意的是,研究人員在Psen1-P436S突變小鼠中未觀察到腦中淀粉樣蛋白沉積隨年齡增大而增加。雖然這樣結(jié)果與先前報道的Psen1突變敲入小鼠一致,但研究人員仍需要在研究阿爾茲海默病中注意到這些問題[7]。
圖4. 通過BE和Target-AID兩種堿基編輯器產(chǎn)生的Psen1-P436S突變小鼠的表型分析。
a.γ-分泌酶對CTF-β的水解處理。CTF-β首先被內(nèi)肽酶樣裂解(ε-裂解),并產(chǎn)生Aβ48和Aβ49,以及APP胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(AICD)。隨后,γ-分泌酶通過羧肽酶樣裂解(γ-裂解)裂解Aβ48和Aβ49,生成更短的Aβ。
b.Psen1-P436S雜合小鼠腦中APP全長(FL)蛋白和CTF蛋白的印跡分析。
c-h.Psen1-P436S雜合小鼠大腦的Aβ的ELISA檢測。將3個月大的雜合Psen1-P436S小鼠和同窩的野生型小鼠(每組n=4)的皮質(zhì)均質(zhì)化并使用Tris-HCl緩沖鹽溶液(TS)(c-e)和鹽刪除的內(nèi)容:分為酸胍緩沖液(GuHCl)(f-h)進行溶解并對Aβ40和Aβ42進行ELISA檢測。BE:Base Editor 3,TA:Target-AID。
治療方法
美國時間2021年6月7日,美國FDA宣布Aducanumab(商品名為Aduhelm)通過加速審批程序批準上市,用于治療阿爾茲海默病患者/阿爾茨海默病人群中特定患者。這是2003年以來獲批的首個批注阿爾茲海默癥新藥;更重要的是,Aducanumab首次在臨床試驗中顯示出了可能降低腦部β淀粉樣蛋白的療效,是首個針對阿爾茲海默癥潛在病理機制的新藥。但該藥在臨床試驗中出現(xiàn)了關(guān)鍵臨床結(jié)論不一致的現(xiàn)象[9]。
除此之外,2020年4月,F(xiàn)DA批準了中國原創(chuàng)、國際首個靶向腦-腸軸的阿爾茲海默癥治療新藥(甘露特鈉膠囊、九期一、GV-971)。其作用機制是通過調(diào)控紊亂的腸道菌群,治療大腦神經(jīng)炎癥,進而緩解AD認知功能障礙,除此之外,研究人員發(fā)還發(fā)現(xiàn)該藥GV-971能直接透過血腦屏障,通過多位點、多片段、多狀態(tài)地捕獲Aβ,抑制Aβ纖絲的形成,并使已形成的纖絲解聚為無毒單體[9]。
除此之外,基于蛋白毒性的假說,Arvanis公司利用其蛋白降解靶向嵌合體技術(shù)平臺(PROTACs)已經(jīng)開發(fā)出具有治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病潛力的化合物。臨床前結(jié)果顯示,PROTAC分子(外周給藥)可顯著降低小鼠大腦皮質(zhì)中致病Tau蛋白的水平[10]。
圖5. PROTAC分子對小鼠模型中Tau蛋白的降解作用[10]。
小結(jié)
對Psen1基因的研究非;馃幔驗樵摶蚴且l(fā)家族性阿爾茲海默癥的一個重要基因,同時,該基因突變的小鼠模型也非常多,有KI點突變小鼠模型以及直接點突變的小鼠,且兩種模型的表型類似。
不僅如此,研究人員還發(fā)現(xiàn)了在心腦血管中的Psen1基因cKO模型可能與心臟病發(fā)生形成有關(guān),這一系列的研究結(jié)果都證明了該基因在體內(nèi)的重要作用。
除此之外,針對該基因或者該基因編輯模型的治療的相關(guān)研究也是十分火熱的。更值得一提,近幾年的創(chuàng)新藥以及許多處于管線中的基因治療手段,也為該基因的研究注入新動力。