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美国斯克利普斯研究所(The Scripps Research Institute,TSRI)的科学家们在阿兹海默症患者大脑细胞中发现了多样化的基因组改变,为这类疾病常见形式的发生揭示了一个无法预想的影响因子。
这项新的研究结果发表在《e生活》(eLife)在线杂志上,揭示了相比普通人的大脑,阿兹海默症患者的大脑通常有多个神经元会有此疾病相关基因——APP基因的拷贝数显著增加。
该研究是由隶属TSRI及其多利斯神经科学研究中心(Dorris Neuroscience Center )的Jerold Chun教授发起。他提到,“我们的发现为正常人及阿兹海默症患者的大脑研究打开了一个新的窗口,为个体神经元的DNA变异可能与大脑功能和阿兹海默症的发生有关联提供最新证据。”
阿兹海默症属于一类不可逆的脑部疾病,通常在老年人身上更高发。这类疾病的症状是渐进的,先是记忆损伤,运动能力受破坏,最终会导致死亡。美国疾控中心曾评估过,全美大约有530万阿兹海默症患者,并且估计随着人口老龄化的进行,这个数字在2050年还会翻番。
遗憾的是,科学家们还不清楚到底是什么原因导致了大多数阿兹海默症的发作,也就使得其治疗更加有难度。一些致病基因已经在这类患者的家族中被发现,但是有95%的患者属于“离散”型的,并不存在家族史,也无法找到其致病基因。
长久以来,科学家们已经确定阿兹海默症患者的发病与其脑内的蛋白质堆积,也即是被称作淀粉样蛋白斑的存在有关。他们也确定,21号染色体对阿兹海默症的发生也起到了一定的作用,因为类似阿兹海默症的症状在唐氏综合症(学名为“21三体综合症”,患者的21号染色体存在三个拷贝)中也有发现。21号染色体中正是包含了APP这个基因,其表达能形成致病性淀粉样蛋白斑的初级产物。
Chun教授及其科研团队一直对大脑细胞中的基因组变异感兴趣,他们发现这种变异形成了所谓的“基因组镶嵌”现象。早在2001年,Chun教授就首度发表了大脑内细胞包含多个可区分基因组的观点,认为基因组存在镶嵌现象,这种现象就类似于艺术家手下多彩的马赛克瓷砖。
“当我们刚开始研究时,并没能在大脑内识别出基因组镶嵌现象。但是事实证明,在单个大脑细胞中,存在一个很明显的基因组变异区域,其内环绕DNA变异。”他提到。
在这项新研究中,Chun教授及其团队首次通过比较来自尸体解剖的32个阿兹海默症患者和21个正常人的大脑,分析了其细胞内的全部DNA成分。他们发现,相比普通人的大脑,超过90%的离散型阿兹海默症患者大脑内有明显增加的DNA拷贝数,涉及到的DNA碱基数几乎达到了百万级,证实基因组镶嵌现象改变了阿兹海默症患者的大脑。有趣的是,这些变化并不是在所有地方都有发现,而仅仅在大脑中与复杂思想有关的区域表现比较显著。
之后,科学家们使用一种被称作单细胞qPCR的技术来确定154个大脑样本中APP基因的拷贝数,这些大脑分别来自阿兹海默症患者和普通人。此外,他们还使用一种被称作FISH的技术检测神经元,使用荧光探针针对APP拷贝数进行另外的独立评价。通过这两种手段,科学家们最终确认了大脑内APP基因的拷贝数。
经过检测,他们发现不同于正常人神经元仅仅有2个拷贝的APP基因,离散型阿兹海默症患者的神经元中所包含该基因的拷贝数几乎都达到了普通人的四倍(8个),甚至有部分患者的拷贝数达到了12个,这种现象在正常人大脑中是没有发现的。
“大部分人还没意识到大脑中存在基因组镶嵌现象,因此将这种现象与疾病做关联是十分有趣的一件事。”Chun教授实验室的一个研究生Gwen Kaser说道,他与另一个研究生毕业生Diane Bushman是这项研究结果的共同第一作者。
当针对血样进行基因检测后,就可以判断一个人是否有阿兹海默症的家族遗传史,但是大部分会得阿兹海默症的人并不是家族遗传的,通过这种方式也就无法检测得出其疾病易感性。这项研究揭示,之所以这些离散型阿兹海默症患者的血液中会缺少遗传印记,是因为这些印记仅仅存在于大脑细胞内。
事实上,大部分主要脑部疾病都是离散分布,而不是家族遗传的。比如,肌肉萎缩性侧索硬化症(ALS)仅有1-2%的患者能通过家族找到致病基因,其他患者都是离散型的,无法知道病因。Chun教授相信,这种基因组镶嵌现象没准也在其他脑部疾病中发挥作用。
Chun教授的实验室下一步的研究计划将是,观察基因组镶嵌与疾病的关系,发现这种镶嵌现象的原因,以及从刚发现的上百万个来自阿兹海默症患者神经元的多余DNA碱基中,寻找新的药物治疗靶点。