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一只随机突变小鼠与神经退行性病变精选

已有 5699 次阅读 2015-11-28 00:30 |系统分类:科普集锦

2014年夏天，一桶桶冰水倾泻而下，倒在了许多人的身上，也倒在了更多人的心里，这就是风靡全球的ALS冰桶挑战赛。ALS（AmyotrophicLateral Sclerosis），肌肉萎缩性侧索硬化症，是一种神经退行性疾病，患者由最初的无力、肉跳、容易疲劳等，逐渐进展为全身肌肉萎缩和吞咽困难，最终出现呼吸衰竭。神经退行性疾病种类并不算多，但大部分会发生不可抑制或逆转的病情恶化，给患者和家属带来了巨大的痛苦和负担。有关神经退行性疾病的研究虽然进行了很多年，花费了大量的人力和物力，但是对于神经细胞死亡的认识，除了从其他领域借鉴的Caspase凋亡途径和坏死途径之外，基本没有更深入的发现。一些由神经细胞死亡所引起的神经退行性疾病如阿尔茨海默病，对于这些疾病的病因至今仍有争议。当然，这些问题难以回答必然有其原因：被称为神经元的神经细胞在形态上高度极化，神经退变甚至可以只在局部发生。外伤能引起神经损伤，进而导致受损神经发生退行性病变，尽管其发病机制不同于ALS这样的疾病，但是由神经损伤诱导的细胞退行性病变也是神经退行性病变中重要的一类。

在研究神经退行性病变机理的道路上，研究人员往往会借助于动物模型，其中一种是遗传小鼠模型。这类模型往往依赖于某一种基因突变与疾病的关联性，而事实上，部分神经退行性疾病与不止一种基因突变相关，一种基因也可以与多种神经退行性疾病相关，加之这些神经退行性疾病的病症又不尽相同，所以基于转基因鼠模型的研究虽然揭示了部分神经退行性疾病的分子机制，但是却没能为这些疾病提供有效的治疗方法。

另一种研究思路就是在野生型的实验动物上进行手术操作，人为地诱导出与某种神经退行性疾病类似的表型，在此基础上进行机理和治疗的研究。本文要阐述的小鼠就是通过手术模型发现的。

1850年，英国科学家AugustusWaller截断了青蛙（frog）的舌下神经，发现远离胞体的那一部分轴突出现萎缩和片段化的现象¹，后来其他的科学家发现在果蝇和小鼠中也存在同样的现象，因此这种退行性病变被称为WallerianDegeneration。当时认为，导致这种现象的原因是炎症因子释放，巨噬细胞被吸引至损伤处进行细胞碎片清除从而引起了退行性病变。这种现象也被认为是由于神经元的轴突脱离了胞体而营养不足所发生的一种被动的退化。100多年以后，牛津大学的Perry在比较不同来源的近交系小鼠时，偶然发现一种小鼠的神经损伤后退化速度明显慢于其他品系的小鼠，被截断的轴突甚至可以存在两周之久，因此这种小鼠又被称为Wallerianmice²。这一发现改变了人们曾经对于WallerianDegeneration的认识——只是被动的退化过程，相反地，Wallerian Degeneration是一种主动的受到调控的生物学过程。后来通过经典的遗传学方法，BabrahamInstitute的MichaelColeman鉴定出Wallerian小鼠的产生是由于这种小鼠的染色体出现了一次偶然性的融合，融合形成的基因因此被称为wld^s，基因wld^s由三部分组成，一部分是UBE4b这一泛素连接酶的N端，另外两个部分就是Nmnat1（Nicotinamidemononucleotide adenylyltransferase）的5’非翻译区和Nmnat1本身，在这个新的融合分子里Nmnat1的5’非翻译区被读通³^，⁴，这个融合基因所产生的蛋白也被称为Wld^s蛋白。Wld^s转基因小鼠神经受损后出现与Wallerian小鼠极其相似的表型，更近一步证明了Wallerian小鼠的分子基础是新的融合基因的出现。在揭示了Wld^s蛋白的基本组成结构域之后，科学家们进一步探讨这一分子发挥功能的原因。在新的融合分子Wld^s蛋白中只有Nmnat保留了原来分子的酶活性，因此Wallerian小鼠相当于是多了一个拷贝的Nmnat1，而Nmnat1本身是负责NAD⁺这种产能分子的合成，所以研究人员认为神经损伤之后的退行性病变是由缺少NAD⁺所致。后来在体外培养的DRG神经元中发现，过表达Nmnat1本身或者外源添加NAD⁺这种化合物可以直接阻断损伤引起的神经退行性病变⁵。进一步的实验表明NAD⁺的作用发生在局部，局部给予NAD⁺就能够减缓神经截断所引起的退行性病变⁴^，⁶。这些研究也证实了Wallerian小鼠的特殊表型的分子基础在于Nmnat1的拷贝数增多。但是后来的实验却发现，单独Nmnat1转基因不足以在体阻碍损伤神经的退行性病变，只有在全长融合基因的转基因小鼠身上才能看到退行性病变受到阻滞的现象⁷。对果蝇的研究发现，部分融合基因的转基因都能在一定程度上减缓损伤之后的神经退行性病变⁸，而全长的融合基因则起到更为明显的作用。目前主流的观点认为，UBE4b通过与其他蛋白质结合，将Nmnat定位到细胞核外的线粒体中调节ATP的产生，进而影响神经退行性病变。

融合基因的发现促使科学家思考：既然损伤之后发生的退行性病变是一种主动的生物学过程，那么在正常的生物体内损伤之后引起这种主动的退行性病变过程的机理是什么呢？2012年MarcFreeman实验室带着这个问题，利用果蝇进行了系统的遗传学筛选。他们发现一种叫做dSARM（drosaphilasterile alpha and armadillo motif）的分子缺失可以引起与Wallerian小鼠相似的表型⁹。dSARM在哺乳动物的同源物叫做SARM，Freeman的研究提示SARM可能在哺乳动物的WallerianDegeneration中发挥主动的破坏作用。于是紧随其后，大量在小鼠上进行的研究工作阐释了SARM是如何引起退变或者说分子本身是如何传递损伤信号的，例如二聚化等等，结论基本与对Wld^s蛋白的研究结果相同：SARM通过减少局部的NAD⁺水平，激活退变信号，进而导致损伤诱导的退变信号的放大，如果只在局部激活SARM，则只会引起局部的退行性病变的发生，并不会影响其他亚细胞区域¹⁰^，¹¹。对于SARM是通过何种途径引起退行性病变的，洛克菲勒的MarcTessier Lavigne 的工作提出，SARM通过激活MAPK（JNK）信号通路诱发ATP的丢失，进一步引起钙离子内流激活calpain，calpain切割细胞骨架从而导致了损伤引起的神经退行性病变¹²^，¹³。完成这一工作的YangJing于2015年加入北大IDG/McGovern工作。至于SARM如何感知损伤刺激或者JNK如何引起ATP减少，还没有答案。