Cell：新研究揭示DNA错配修复基因在亨廷顿病中起着重要作用

在一项新的研究中，来自加州大学洛杉矶分校的研究人员在小鼠模型中发现，与修复错配DNA相关的基因在引发亨廷顿病（Huntington's disease, HD）中最脆弱的神经元损伤以及引发下游病理和运动损伤方面至关重要，这为疾病机制和开发治疗方法的潜在新方法提供了线索。

相关研究结果于2025年2月11日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Distinct mismatch-repair complex genes set neuronal CAG-repeat expansion rate to drive selective pathogenesis in HD mice”。

HD是最常见的遗传性神经退行性疾病之一，通常在成年后开始，并随着时间的推移而恶化。患者开始失去大脑中负责运动控制、运动技能学习、语言和认知功能的特定区域中的神经元。患者通常在诊断后存活15至20年，症状会随着时间的推移而恶化。目前还没有已知的治疗方法可以改变这种疾病的进程。

HD的病因是在三十多年前发现的，即一个名为亨廷顿蛋白（huntingtin）的基因中的三个碱基CAG的重复。健康的人通常有35个或更少的CAG重复序列，但有40个或更多CAG重复序列的人会患上这种疾病。一个人遗传的CAG重复序列越多，这种疾病的发作就越早。然而，这种重复突变如何导致这种疾病仍然知之甚少。

HD的一个长期谜团是，源自亨廷顿蛋白基因的突变蛋白如何存在于身体的每个细胞中，但该疾病似乎选择性地影响少数大脑区域中的某些类型的神经元。

HD和许多其他神经退行性脑疾病，包括阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症（ALS），都有这个谜团，尽管每种疾病中不同类型的神经元都容易退化。解开这个谜团可能让人们深入了解疾病机制和治疗方法。

近期，一项人类遗传学研究已发现，基因组中大约有十几个DNA区域含有HD的“修饰因子（modifiers）”，这些修饰因子是可能加速或延迟这种疾病发作长达几年的DNA变异。有趣的是，这些区域包含多个参与修复DNA错配的基因。然而，HD中DNA修复错配与选择性神经元脆弱性之间的机制联系仍然未知。

这项新的研究揭示了一个独特的错配修复基因子集是HD的关键驱动因素，以及该疾病如何影响特定类型的神经元。

论文通讯作者、加州大学洛杉矶分校精神病学与生物行为科学卫生系教授X.William Yang博士说，“我们证实作为HD患者修饰因子的相同DNA错配修复基因只能在小鼠模型中最脆弱的神经元中驱动快节奏的疾病过程，导致一系列疾病表型。”

Yang 及其同事们使用了具有140个CAG重复序列的HD小鼠模型（称为Q140模型），因为这种较长的重复序列是观察小鼠模型中疾病特征所必需的。他们探究了在这种小鼠模型中，对9个HD患者衍生的修饰因子基因（包括6个错配修复基因）进行基因改造是否可以改变任何疾病表型。

尽管HD小鼠模型缺乏明显的神经元细胞死亡，可能是由于小鼠寿命短，但它们表现出多种对HD易感神经元高度选择性的疾病样表型。这些表型包括纹状体神经元中数千个基因表达的失调和突变亨廷顿蛋白团块（称为聚集体）的积聚，这是HD患者大脑病理学的标志。这些聚集体首先发生在纹状体神经元，然后发生在皮质神经元，随着时间的推移，它们会逐渐恶化，从而模拟了这种疾病的进展。

值得注意的是，缺乏一个错配修复基因子集的HD小鼠，尤其是Msh3和Pms1基因，校正了该小鼠模型中绝大多数的基因表达缺陷。此外，它们部分或完全阻止了整个大脑中的突变亨廷顿蛋白聚集体病理学特性。

除了分子和病理学益处外，这项研究还表明，靶向Msh3可以改善运动缺陷和步态缺陷，提高神经元突触蛋白水平，减少胶质细胞过度反应。

Yang说，“我们惊讶地看到，在HD小鼠中靶向这些错配修复基因具有强大而持续的效果——这种益处在小鼠中可持续20个月（相当于人类约60年的寿命）。我们的研究表明，这些基因不仅是先前研究所表明的疾病修饰因子，而且是HD的遗传驱动因素。”

错配修复基因如何改变HD的疾病过程？最近的研究表明，突变的亨廷顿蛋白基因中的CAG重复序列在成体脑细胞中是不稳定的，特别是在纹状体中棘神经元（striatal medium spiny neuron, MSN）等脆弱的神经元中，而且这种CAG重复序列扩增与基因表达变化和可能的神经元细胞死亡有关。

然而，修饰因子基因在脑细胞重复序列扩增中的作用尚未在患者身上进行测试。在小鼠模型中，先前的研究表明，错配修复基因在纹状体（最脆弱的大脑区域）中赋予了高度的不稳定性，但似乎只有一部分重复序列扩展到遗传的等位基因之外。

论文共同第一作者Nan Wang说，“我们很困惑为什么阻止Msh3或Pms1缺陷型HD小鼠中的一个CAG重复序列子集扩展会对所有纹状体神经元产生益处。”

Wang设计了一项实验，仅从纹状体中最脆弱的神经元MSN中纯化细胞核DNA，并测量突变亨廷顿蛋白基因中的CAG重复序列大小。她发现，令人惊讶的是，整个MSN神经元群体中的CAG重复序列数量以每月增加8.8个的线性速度增长，到12个月大时，重复次数远远超过220次。

如果这种测定中包括其他纹状体神经元类型或非神经元细胞，则大多数重复次数保持在140。令人印象深刻的是，剔除Msh3的一个拷贝，MSN中的CAG扩增率降低到每月增加2.3个，剔除Msh3的两个拷贝，CAG扩增率基本稳定在每月0.35个重复。

重要的是，这些发现还表明，突变亨廷顿蛋白聚集需要CAG扩展到150的阈值，而且基因表达失调也与MSN中CAG长度的扩展高度相关。

Yang说，“这些显著的结果表明，一个错配修复基因子集正在驱动脆弱神经元致病，因为它们在这些神经元中赋予了CAG重复序列扩增的最快速度，而且我们的研究提供了机制联系，有助于连接患者的修饰因子基因、错配修复基因组驱动的重复序列扩增和HD中的选择性神经元脆弱性。”

这项研究提供了重要的治疗意义。首先，该研究测试了6个DNA错配修复基因，其中只有4个似乎强烈（Msh3和Pms1）或中度（Msh2和Mlh1）改变了HD小鼠模型的发病机制。有趣的是，这些基因共同编码了一种轻微的错配修复复合物，这种复合物从酵母到人类都是保守的，但它在酵母中的作用仍然未知。此外，尽管这6个错配修复基因中有4个与人类癌症相关，但尚不清楚Msh3和Pms1与癌症相关。

这项研究还表明，年老的Msh3和Pms1缺陷型小鼠没有明显的分子或病理变化。因此，它表明，通过降低Msh3、Pms1的表达水平或这种轻微错配修复复合物的形成，靶向编码这种复合物的基因可能对HD具有治疗作用。

再者，这项研究表明，靶向这些错配修复基因可能使多个大脑区域受益，包括存在早发性（纹状体）或迟发性（皮质）病变的大脑区域。因此，这意味着靶向这种疾病机制的疗法可能有助于延缓这种疾病的发作或减缓这种疾病的进展。

此外，这项研究表明，HD小鼠模型及其分子、病理和行为表型可能构成一个平台，用于测试靶向参与CAG重复序列扩增的HD修饰因子基因或改善HD易感神经元恢复力（resilience ）或健康的机制的新疗法。

遗传的动态DNA重复突变影响30多种神经系统疾病，其中一些还可能影响重复序列不稳定性或疾病严重程度的错配修复基因。这些机制研究结果和模型平台也可能有助于发现针对这些其他疾病的治疗方法。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Nan Wang et al. Distinct Mismatch-repair Complex Genes Set Neuronal CAG-repeat Expansion Rate to Drive Selective Pathogenesis in HD Mice. Cell, 2025, doi:10.1016/j.cell.2025.01.031.