Cell：新研究发现了脆性X综合征中意想不到的分子模式

脆性X综合征（fragile X syndrome, FXS）是一种遗传性疾病，据美国疾病控制和预防中心（CDC）估计，每7000名男性中就有1人受到影响，每11000名女性中就有1人受到影响。

在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员发现与FXS有关的新的受到破坏的基因和一种意想不到的分子模式---称之为BREACHes。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Spatially coordinated heterochromatinization of long synaptic genes in fragile X syndrome”。

这些作者利用患者捐赠的细胞和脑组织进行了这项研究。他们指出只需对这种异常重复序列模式的长度进行编辑，就能恢复多条染色体上沉默的基因。

论文共同第一作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院皮肤病学临床住院医师Linda Zhou博士说，“我们的研究结果对未来的FXS治疗策略具有重要意义，并强调了导致基因组不稳定的潜在机制，这些机制可能也是其他疾病的基础。”

论文通讯作者、宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院生物工程与遗传学副教授Jennifer Phillips-Cremins博士及其研究团队对FXS这种最常见的遗传性智力障碍进行了调查，以加深对这种疾病根本原因的了解。教科书上的理论模型将FXS归因于单个基因 FMR1 的沉默以及 FMR1 所编码的蛋白脆性 X 信使核糖核蛋白（Fragile X Messenger Ribonucleoprotein, FMRP）的缺失。

人们普遍认为，FMRP 的缺失会导致连接大脑神经元的突触严重失调，并破坏基因在神经元细胞核中的表达方式。针对FXS 的主要理论模型是通过使用基因敲除 FMR1 的转基因小鼠进行研究而建立的。然而，这种小鼠模型缺少 FXS 的关键基因驱动因素：一种被称为 “重复扩增（repeat expansion）”的突变；当两个或更多碱基长的DNA序列的长重复变得不稳定和异常长时，就会发生这种突变。

对于 FXS 而言，这就是出现在 FMR1 基因一端的三碱基序列CGG。正常版本的 FMR1 在重复序列中只有 40 个或更少的 CGG，而 FXS 患者则会有 200 个或更多的CGG。这种异常会引发细胞的防御反应，使 FMR1 和 FMRP 基本上处于沉默状态。由于这种重复序列难以设计，FXS 的小型动物模型缺乏这种重复序列，因此可能无法证实重复 DNA序列在 FXS内在发病机制中的重要作用。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.11.019。

在这项新的研究中，这些作者利用一系列先进的测序和成像技术，以及带有 CGG 重复扩增的人类细胞系和脑组织，发现了 FXS中基因组破坏的惊人新模式。他们发现，FXS 患者样本中包括 CGG重复的多条染色体上有大片沉默异染色质。这些异染色质“结构域”被称为BREACHes。

BREACHes 在细胞核中汇聚成物理上相互接触的集群，使参与神经元突触连接的基因以及与皮肤和关节等结缔组织的完整性相关的基因沉默。临床上观察到，FXS 患者的突触和结缔组织受到破坏，因此识别 BREACHes 的能力有可能成为发现除FMR1 以外潜在重要的受到破坏的基因的有力工具。

这些作者还利用CRISPR-Cas基因编辑技术将CGG重复扩增切除到不导致FXS的长度，从而测试了CGG重复扩增是否与BREACHes直接相关。

论文共同第一作者、Phillips-Cremins 实验室博士后研究员Keerthivasan Raanin Chandradoss博士和 Ravi Boya 博士说，“当我们把CGG重复扩增切除到称为突变前的较短长度（100～190 个CGG）时，我们观察到许多大片沉默异染色质被逆转，多条染色体在空间上与 FMR1 断开。”

他们的实验证实原本被BREACHes沉默的基因在CGG重复序列数量被CRISPR-Cas缩短的FXS细胞中重新表达。

论文共同第一作者Phillips-Cremins 实验室博士生Thomas Malachowski说，“我们发现这种突变后的 CGG重复扩增是维持 BREACHes所必需的，这一发现的广泛影响是，仅对重复序列进行基因改造就有可能作为一种治疗方法来逆转可能导致 FXS 临床表现的多个关键基因的全基因组沉默。”

未来的 FXS 治疗可能会探索如何替代这项研究中发现的一些沉默基因的功能，而不仅仅是 FMR1。不过，这些作者指出，一个更雄心勃勃的策略是在发育过程中的某个特定时期削减过长的CGG重复扩增，以防止或至少逆转沉默异染色质的影响。

探索这种可能性需要仔细平衡重新激活重要基因的积极作用与异染色质在防止重复基因组不稳定方面的保护作用。

可能受这些发现影响的其他疾病包括亨廷顿病和肌萎缩性脊髓侧索硬化症，这两种疾病与FXS同属于重复扩增性疾病，被认为是由DNA中单个重复序列的突变引起的。

Phillips-Cremins还解释说，他们在基因组不稳定的其他人类细胞模型中观察到了BREACHes，包括含有癌症突变或实验室诱导的DNA断裂的细胞系。

她说，“我们的研究结果表明，在基因组不稳定的其他疾病（包括某些癌症和其他重复扩增疾病）中，BREACHes将来可能会对基因沉默产生更广泛的影响。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Thomas Malachowski et al. Spatially coordinated heterochromatinization of long synaptic genes in fragile X syndrome. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.11.019.

Researchers uncover unexpected molecular pattern in fragile X syndrome
https://medicalxpress.com/news/2023-12-uncover-unexpected-molecular-pattern-fragile.html