隨著年齡的增長，我們的神經(jīng)元會不斷產(chǎn)生突變。根據(jù)4月20日波士頓兒童醫(yī)院的Christopher Walsh、Eunjung Alice Lee和Michael Lodato教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在《Nature》雜志上發(fā)表的文章表明，與對照組相比，AD患者死后的興奮性神經(jīng)元攜帶更多的單核苷酸變異（sSNVs）。它們主要分為三種類型：被氧化的堿基、聚集在基因內(nèi)的突變以及預(yù)計會削弱蛋白質(zhì)的編碼變體。研究人員認為，淀粉樣蛋白會引發(fā)大量氧化應(yīng)激，DNA發(fā)生變化，修復(fù)酶不堪重負，從而導(dǎo)致體細胞突變。
多倫多大學的 Ekaterina Rogaeva教授稱：這項研究揭示了AD 神經(jīng)元中sSNVs積累的模式與正常的基因組老化不同，但沒有觀察到與AD相關(guān)的體細胞致病突變。
賓夕法尼亞州匹茲堡大學醫(yī)學中心的Karl Herrup教授稱：這項研究中，研究人員觀察了整個人類生命周期的基因組以及分析了它們在阿爾茨海默病中加速喪失的機制。巴爾的摩約翰霍普金斯大學的 Mark Mattson教授表示，這項研究表明，隨著年齡增長，由自由基損傷引起的突變逐漸積累，導(dǎo)致基因功能障礙，從而導(dǎo)致疾病產(chǎn)生并發(fā)展。
此前，Walsh教授和其他研究人員已經(jīng)觀察到在正常衰老和神經(jīng)退行性變期間，體細胞突變會在神經(jīng)元中積累。
在散發(fā)性AD中，家族性AD和tauopathy基因的體細胞變化，例如PSEN1和2，以及 MAPT。那么除了已知的AD基因之外，整個基因組的體細胞突變是否會導(dǎo)致這種疾病呢？
針對這個問題， Michael Miller和 August Yue Huang教授對 9名57至91歲患有AD的成年人和20名5個月至104歲的對照者的神經(jīng)元基因組進行了測序。大約一半的供體是女性；大多數(shù)是白種人。所有 AD 病例均為 Braak V 或 VI 期。
研究人員從前額葉皮層和海馬組織中分離出 NeuN 陽性神經(jīng)元，然后使用熒光激活核分選法選擇最 大的核進行基因組測序，這些錐體興奮性神經(jīng)元在AD中易受tau纏結(jié)的影響。研究人員測量了來自AD病例的120個神經(jīng)元和對照組的199個神經(jīng)元中體細胞sSNVs的程度和類型。
研究發(fā)現(xiàn)，AD神經(jīng)元在整個基因組中積累的損傷比年齡匹配對照組的神經(jīng)元更多。正常衰老的情況下，每年每個神經(jīng)元增加約20個sSNVs，而AD引發(fā)的突變比預(yù)期的要多，相當于十多年的DNA過度損傷。
平均而言，海馬神經(jīng)元比皮質(zhì)神經(jīng)元攜帶更多變異，但皮質(zhì)神經(jīng)元產(chǎn)生高度突變機率更高。作者指出，由于海馬中的淀粉樣蛋白斑塊和 tau 纏結(jié)先于前額葉皮層損傷，嚴重突變的海馬神經(jīng)元已經(jīng)死亡，使得該區(qū)域在尸檢時較少受到DNA損傷的影響。
另外， sSNVs類型在健康對照組和AD患者之間并不相同。健康的神經(jīng)元傾向于將胞嘧啶換成胸腺嘧啶，而AD神經(jīng)元則更傾向?qū)奏Q成腺苷和8-氧代鳥嘌呤。 后者是由氧化損傷產(chǎn)生的，這種損傷在AD中很常見。未修復(fù)的8-oxoG可能會變成C>A突變，因為DNA聚合酶可能會將受損的G誤讀為T，然后在互補鏈上摻入匹配的A。 研究人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄中的C>A突變比未轉(zhuǎn)錄的 DNA鏈中更多，這表明轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的核苷酸切除修復(fù)相應(yīng)會減弱。與此一致，AD神經(jīng)元也有更多的T>A變體，這也是錯誤切除修復(fù)的產(chǎn)物。 總而言之，AD突變的特征與年齡匹配的對照不同。
年齡越高，AD情況越嚴重。在正常衰老過程中(藍色)，前額葉皮層(圓形)和海馬體(三角形)的神經(jīng)元中會出現(xiàn)體細胞sSNVs，在AD(紅色)中更是如此。少數(shù)患者的海馬神經(jīng)元具有最 高的突變負荷。[Courtesy of Miller et al., Nature, 2022.]
這些突變的轉(zhuǎn)錄本會產(chǎn)生有害的蛋白質(zhì)嗎？與對照組相比，AD 神經(jīng)元具有更多改變氨基酸的突變。作者認為，這些可能會產(chǎn)生功能失調(diào)的蛋白質(zhì)或新抗原，可能會激活細胞來巡視大腦。研究人員預(yù)測，AD的突變負荷越高，有害突變就越有可能在同一基因的兩個等位基因上產(chǎn)生，從而有效地敲除相應(yīng)的蛋白質(zhì)。
在攜帶突變的基因中是否存在已知的AD風險基因呢？截至目前，在APP、PSEN1、PSEN2或APOE中并未出現(xiàn)致病突變。這與之前在散發(fā)性AD的體細胞中發(fā)現(xiàn)的PSEN1、PS2和MAPT突變相矛盾。 在另一項研究中，由紐約州立大學北部醫(yī)科大學的 Chunyu Liu 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在分析全基因組、全外顯子組和 RNA-Seq數(shù)據(jù)時，在 APP、PSEN1、PSEN2 或 APOE 的編碼區(qū)內(nèi)也沒有發(fā)現(xiàn) sSNVs。Liu和Shishi Min教授表示，鑒于所有研究僅對極少數(shù)AD患者進行了測序，這些數(shù)據(jù)的普遍性受到一定的限制，突變特征可能只是發(fā)生在少數(shù)人身上的偶然現(xiàn)象，因此不要過度解讀這些數(shù)據(jù)。
體細胞突變是AD病理機制的原因還是結(jié)果呢？ Walsh教授及其同事認為是后者。他們提出，在疾病發(fā)展過程中，體細胞產(chǎn)生的活性氧可能會加速氧化核苷酸，修復(fù)酶不堪重負，從而加速突變（見下圖）。 這也可能發(fā)生在其他神經(jīng)退行性疾病中。
神經(jīng)元外的 Aβ 低聚物刺激神經(jīng)元內(nèi)部的 tau 纏結(jié)和活性氧。 持續(xù)攻擊DNA并破壞修復(fù)機制，例如核苷酸切除修復(fù)。單核苷酸變異作為體細胞突變持續(xù)存在，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。 [Courtesy of Miller et al., Nature, 2022.]
Mattson教授認為，淀粉樣蛋白聚集在神經(jīng)元的膜上會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化和氧化應(yīng)激，sSNVs可能是自由基和神經(jīng)變性之間的中間產(chǎn)物。Herrup教授認為這種關(guān)系可能是雙向的，并指出更高的突變率可能在癥狀出現(xiàn)之前幾十年就開始了，sSNVs 及其下游后果很可能引起導(dǎo)致tau蛋白和淀粉樣蛋白沉積的情況發(fā)生。
這些體細胞突變是否在AD神經(jīng)元的死亡中起關(guān)鍵作用？丹佛科羅拉多大學阿爾茨海默氏癥和認知中心的Huntington Potte教授表示，每個神經(jīng)元的sSNVs數(shù)量非常少，關(guān)鍵基因被敲除的潛在神經(jīng)元數(shù)量也非常少，因此這些缺陷本身不太可能導(dǎo)致AD中觀察到的大范圍神經(jīng)元損失。Mattson 教授比較了易受AD影響的和不易受 AD 影響的神經(jīng)元之間的sSNVs比率并表示，如果這些體細胞突變在神經(jīng)元功能障礙和退化中起作用，那么它們不應(yīng)該在來自彈性大腦區(qū)域的神經(jīng)元中普遍存在。
更廣泛地說，體細胞突變并不局限于興奮性神經(jīng)元。由麻省理工學院的Manolis Kellis教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)，來自AD腦組織的膠質(zhì)細胞也充滿了受損的DNA。 另一項新的研究中，Maria Kousi和Carles Boix教授比較了來自19名AD患者和17名對照組的前額葉皮層的 4,014個細胞的全基因組和RNA測序數(shù)據(jù)。AD細胞比對照組具有更多的體細胞突變，其中興奮性神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和與疾病相關(guān)的衰老細胞最 多。在這個實驗中，受損基因與疾病相關(guān)，包括神經(jīng)元能量調(diào)節(jié)、內(nèi)吞運輸、脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。
總體而言，體細胞突變和神經(jīng)退行性疾病之間有著一定的聯(lián)系，但還需要更多的研究去驗證，以發(fā)現(xiàn)治療神經(jīng)退行性疾病更多的可能性。
寧波易賽騰生物科技有限公司 李福云編譯
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Somatic Mutations Accrue in Alzheimer's Neurons | ALZFORUM
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