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Cell子刊:李懿臣等發現緩解肌萎縮側索硬化模型神經退化的新機制

肌萎縮側索硬化

(Amyotrophic lateral sclerosis,

ALS

是一種進展迅速的神經退行性疾病,運動神經元的凋亡致使大部分病人只能在發病後存活2-5年。目前該疾病仍然缺乏有效療法,而針對少數遺傳型ALS的新療法並不能治療遺傳學因素複雜的散發型ALS。因此,治療ALS的關鍵在於找到可以適用於多種型別ALS的通路。

2023年2月2日,南加州大學

Justin K。 Ichida

團隊

(共同一作為Gabriel R。 Linares和李懿臣)

Cell Stem Cell

上發表了文章

SYF2 suppression mitigates neurodegeneration in models of diverse forms of ALS

。作者

開發了一個基於多個ALS病人誘導運動神經元(iMN)的體外存活表型篩選平臺

。相比於需要基因編輯單個病人人工誘導幹細胞系的CRISPR篩選策略,該平臺更適合於小分子篩選。作者進一步利用connectivity map分析找到與篩選到的小分子產生高度相似轉錄組的基因靶點,然後用ASO抑制該靶點。這樣做可以把被篩選的靶點擴增到整個基因組。利用這個方法,作者

發現抑制

SYF2

基因在多種ALS模型中均可減緩神經退化過程。

Cell子刊:李懿臣等發現緩解肌萎縮側索硬化模型神經退化的新機制

該研究透過過表達轉錄因子

Ngn2, Isl1, Lhx3, Ascl1, Brn2, Myt1l

NeuroD1

來獲得iMN。在過量穀氨酸鹽和缺乏神經生長因子的刺激下,針對單個Hb9::RFP+神經元追蹤的延時成像技術顯示ALS病人的體外iMN存活時間少於健康人體外iMN。基於這一表型,該研究從家族性ALS中佔比最大的C9ORF72型開始,尋找可以將病人iMN存活天數延長至健康人組天數的小分子。並用來自8個散發性ALS

(sporadic ALS)

病人的iMN驗證這些小分子。結果表示,鮮有分子可以同時在所有iMN上都有效果。這也再次顯示了開發一款對ALS病人具有廣泛保護意義的療法意義重大。

基於每個小分子在每個病人iMN上的保護作用

(透過從iMN存活曲線中計算風險比hazard ratio得出)

,未加監督分級的聚類分析表明最多有較廣泛保護意義的小分子作用於雄激素受體通路

(androgen receptor pathway)

。Connectivity map分析表示抑制

SYF2

基因可產生類似新增這些小分子所在細胞內產生的訊號改變

(基於轉錄基因組資料)

。SYF2蛋白存在於剪接體中的19複合體

(nineteen complex)

,該蛋白在過去的研究中從未與ALS聯絡,因此該研究發現了一個ALS的潛在新靶點。

反意寡核酸

(antisense oligonucleotides, ASO)

在神經退行性疾病的新療法開發中已顯現出對病人的保護作用。為了防止長期調節雄激素受體通路所可能帶來的安全隱患,作者設計並篩選出三款抑制

SYF2

的ASO並進一步在多種ALS病人iMN

(包括27個散發性ALS)

上驗證其對iMN存活的保護作用。結果表明

SYF2

ASO對所試驗的家族性C9ORF72 ALS,家族性TARDBP-ALS和散發性ALS iMN存活有保護作用,而對家族性FUS-ALS與SOD1-ALS沒有保護作用。

進一步的機制研究表明,抑制SYF2增強了神經元核內TDP-43蛋白訊號,削弱了TDP-43在細胞內的沉積。超過95%的ALS病人中存在TDP-43在神經元內的異常聚合與沉積,這導致了TDP-43在核內正常功能的降低。因此,抑制SYF2幫助了有TDP-43病理的神經元存活而對不透過TDP-43病理發病的FUS-ALS和SOD1-ALS沒有存活的幫助作用。該研究進一步證實,抑制SYF2不僅加強了核內TDP-43染色訊號,也增強了TDP-43在核內的功能。TDP-43最被學界所認知的功能是抑制隱匿外顯子

(cryptic exon)

進入成熟的mRNA。

在ALS神經元中,TDP-43功能的降低所引發的

STMN2

mRNA中隱匿外顯子的增加導致了正確的

STMN2

mRNA下降。

STMN2

對神經突的生長與維持起著關鍵作用。作者透過qRT-PCR證明抑制

SYF2

在不改變TDP-43表達量的前提下,抑制了家族性C9ORF72 ALS與散發性ALS iMN中的

STMN2

隱匿外顯子,提高了

STMN2

正確mRNA的表達量,增強了

STMN2

蛋白訊號。作者還利用對iMN的延時成像技術證明抑制

SYF2

確實加快了ALS iMN神經突的生長速度與軸突切斷術後的恢復速度,使兩個速度到達了健康人組iMN的程度。

體內研究表明,抑制

Syf2

在ALS小鼠模型中也降低了多種神經退化指標。為針對TDP-43這一廣泛病理,該研究使用了過表達人類TDP-43的小鼠模型。在小鼠P1 ICV注射的

Syf2

ASO可以在小鼠成年時降低其皮層與脊椎內運動神經元中的TDP-43聚集,增強核內TDP-43訊號,提高神經肌肉接頭數量,促進體內運動神經元的存活,改善小鼠模型的多種運動功能。接受了

Syf2

ASO的小鼠中未見CNS免疫反應與明顯器官毒性。

增強雄激素訊號通路曾在過去的研究中被和對ALS的保護作用聯絡在一起。而長期刺激激素訊號可能帶來臨床上的安全隱患。該研究透過connectivity map analysis把小分子藥物篩選轉換成了新的基因靶點-

SYF2

,並且在多種ALS模型中驗證了抑制

SYF2

的保護作用。

總之,

該研究從人工誘導運動神經元的體外存活出發,從多個和ALS已知發病機制相關的角度驗證了

SYF2

對ALS神經元的保護作用

。這一研究挑戰了神經退行性疾病新療法開發中,因遺傳因素的複雜性而造成的難以找到有廣泛保護意義療法的難題。我們至今尚不完全瞭解TDP-43的跨核膜運輸方式。過去數十年的研究表明,簡單的提高或降低TDP-43表達量都會造成神經元的加速凋亡,而多種嘗試改變TDP-43向核內運輸的研究均以失敗告終。因此,

該研究第一次提出了一個可以調節TDP-43功能而增強ALS運動神經元存活的方法,這樣的方法對缺乏改變疾病過程療法的散發性ALS尤其意義重大。

Cell子刊:李懿臣等發現緩解肌萎縮側索硬化模型神經退化的新機制

原文連結:

https://doi。org/10。1016/j。stem。2023。01。005

釋出於:雲南