蔡立慧团队有望找回患者“失去的记忆”

来源:学术经纬 / 作者: / 2017-09-13
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阿兹海默症 (Alzheimer's disease, AD) 是世界上最常见的神经退行性疾病。学习和记忆能力下降是 AD 患者的主要症状之一。在 AD 患者的大脑中,多种与形成记忆相关的基因表达被关闭了,这是导致 AD 患者认知能力下降的一个重要原因。日前,麻省理工学院 (MIT) Picower 学习与记忆研究中心 (Picower Institute for Learning and Memory) 主任蔡立慧教授带领的课题组发现抑制组蛋白脱乙酰酶 2 (histone deacetylase 2, HDAC2) 活性能够在 AD 小鼠模型中逆转记忆丧失。

▲MIT 蔡立慧教授(图片来源:MIT 官网)

蔡立慧教授是对 AD 领域的科学研究有杰出贡献的华人学者。早在 2007 年,她的课题组就发现 HDACs 对 AD 患者的记忆丧失有重要影响。去年她的研究团队在《自然》杂志上发表的研究显示用特定频率的光刺激可以在小鼠 AD 模型中减少淀粉样蛋白在大脑中的沉积。此次最新研究可能帮助开发治疗 AD 的创新药物。

2007 年,蔡教授带领的研究团队就发现阻断 HDACs 活性可以在小鼠模型中逆转记忆丢失。HDACs 的主要作用是修饰组蛋白,而 DNA 通过与组蛋白的结合形成染色质(chromatin)。HDACs 对组蛋白的修饰能够导致染色质浓缩,从而使位于浓缩部分的基因更难于表达。人体细胞中含有十几种 HDACs,蔡教授后来发现 HDAC2 能够阻断与记忆形成相关的基因表达,而且在 AD 患者和 AD 小鼠模型中 HDAC2 的水平显著上升。

▲HDAC2 可能会抑制记忆力(图片来源:《Nature Reviews | Neuroscience》)

“我们认为 HDAC2 是记忆基因表达的主要调控因子,它在 AD 大脑中水平上升导致在表观遗传水平上对记忆基因表达的抑制,”蔡博士说:“如果我们能够有针对性地抑制 HDAC2 的活性或表达,那么我们就可以恢复那些对学习和记忆都非常重要的基因的表达水平。”

目前存在的 HDAC 抑制剂通常在抑制 HDAC2 的同时还会抑制其它 HDACs,包括与 HDAC2 非常相似的 HDAC1,这会导致毒副作用,因为 HDAC1 在细胞增生,特别是白细胞和红细胞增生方面起到重要作用。在这项发表在《Cell Reports》的最新研究中,蔡博士带领的研究团队试图找到一种更具特异性的 HDAC2 抑制剂。

为了找到更专一的 HDAC2 抑制剂,蔡博士的课题组把研究重点放在寻找将 HDAC2 蛋白募集到它调控的基因附近的共调节子 (co-regulator) 上面。研究人员利用一种称为加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)的分析方法对 HDAC2 表达量高和低的大脑基因表达图谱进行分析,从中找出 2000 多个表达特征与 HDAC2 相关的基因。对这些基因进行进一步的层层筛选之后,研究人员发现一个称为 SP3 的基因表达的 DNA 结合蛋白能够 HDAC2 相结合,可能是 HDAC2 的共调节因子。

▲敲低 SP3 或 HDAC2 能够导致同样的生理效果(图片来源:《Cell Reports》)

为了验证 SP3 蛋白是否是 HDAC2 蛋白的共调节子,研究人员首先在体外培养的小鼠神经元中用 shRNA 技术敲低 HDAC2 或 SP3 的表达水平。他们发现,敲低 SP3 或 HDAC2 的表达水平同样能够导致小鼠神经元微型兴奋性突触后电流 (miniature excitatory post-synaptic currents, mEPSC) 的幅度和频率增加。这说明敲低 SP3 或 HDAC2 能够导致同样的生理效果。

▲SP3 和 HDAC2 一起共同调节神经突触相关基因的表达(图片来源:《Cell Reports》)

然后,研究人员用 RNA-seq 技术对 SP3 或 HDAC2 被敲低的小鼠神经元的转录组(transcriptome) 进行了分析。他们发现敲低 SP3 或 HDAC2 会引起的很多相同的基因出现表达水平上的变化。同时运用 ChIP-qPCR 技术,研究人员发现 SP3 和 HDAC2 都会结合到一系列与神经突触功能相关的基因的驱动子附近。这些数据表明 SP3 和 HDAC2 一起共同调节神经突触相关基因的表达。而且,对 AD 患者的脑组织和小鼠 AD 模型的脑组织分析表明 SP3 的表达水平同 HDAC2 一样在这些组织中显著上升。

在确定 SP3 能够将 HDAC2 募集到与神经突触相关的基因周围之后,研究人员着手开发能够阻断 SP3 与 HDAC2 之间相互作用的抑制剂。研究人员将 HDAC2 蛋白的不同区域替换为 HDAC1 蛋白,然后检测新生成的嵌合蛋白是否仍然具备 HDAC2 调节神经突触基因的功能。通过这个检测,他们发现在 HDAC2 C 末端的蛋白片段对 HDAC2 的基因调控功能非常重要,而且这个片段在免疫共沉淀测试中能够与 SP3 结合。

▲本研究的图解(图片来源:《Cell Reports》)

那么这个片段能不能起到通过与 SP3 蛋白结合,阻断 HDAC2 蛋白与 SP3 蛋白之间相互作用,从而逆转 AD 症状的作用呢?研究人员发现,如果将这一片段高度表达在体外培养的小鼠神经元中,它可以提高神经元 mEPSC 的幅度和频率,这与靶向 HDAC2 或 SP3 的 shRNA 的效果非常类似。如果在小鼠 AD 模型的大脑海马回区域中高度表达这一片段,它可以缓解小鼠依靠海马回的学习和记忆能力的缺陷。同时它可以恢复在这些小鼠大脑中神经突触基因的表达水平。这些实验结果表明,靶向 HDAC2 的 C 末端可能成为一种专一抑制 HDAC2 与 SP3 结合,从而治疗 AD 导致的记忆缺陷的策略。

蔡立慧团队的研究团队发现的 HDAC2 C 末端片段仍然包含了 90 个左右的氨基酸,这个蛋白片段作为药物来说还是太大了。因此研究人员下一步的研究方式是开发能够起到同样效果的更小片段,或者发现小分子化合物能够阻断 HDAC2 与 SP3 之间的相互作用。这或许有望能带来改善阿兹海默病患者症状的新药。

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