神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化的神經(jīng)元或可治療帕金森病

此類(lèi)基因療法的簡(jiǎn)便性和高效率使其極具潛力，有望治療像帕金森病這樣的神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

近期，來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的付向東團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）發(fā)表文章表示，通過(guò)消解特定蛋白質(zhì)，可使星形膠質(zhì)細(xì)胞向神經(jīng)元細(xì)胞轉(zhuǎn)變，從而逆轉(zhuǎn)帕金森病小鼠的病例癥狀。而在更早些時(shí)候，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院楊輝團(tuán)隊(duì)也以相似的思路完成了神經(jīng)元轉(zhuǎn)變，并將研究成果發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）。毫無(wú)疑問(wèn)，這兩大重磅研究為人類(lèi)攻克帕金森病開(kāi)辟了全新的道路。

帕金森病模型小鼠的實(shí)驗(yàn)

皮膚細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞可以通過(guò)強(qiáng)制表達(dá)（或過(guò)表達(dá)）轉(zhuǎn)錄因子、microRNA或小分子等方法在體外轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型的細(xì)胞，能誘導(dǎo)產(chǎn)生多巴胺的神經(jīng)元（iDA神經(jīng)元）便是其中一種細(xì)胞類(lèi)型。目前已有科學(xué)家使用這種方法成功將小鼠大腦紋狀體中的星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為了iDA神經(jīng)元：這些小鼠身患帕金森病，同人類(lèi)患者一樣，中腦黑質(zhì)里的iDA神經(jīng)元都已變性死亡（該病最主要的病理特征）；但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，它們失而復(fù)得，小鼠的運(yùn)動(dòng)缺陷也因此得到了改善。

不過(guò)靠此方法得來(lái)的iDA神經(jīng)元既無(wú)法形成健康大腦里應(yīng)有的遠(yuǎn)距離神經(jīng)元聯(lián)結(jié)，也難以使患病小鼠的運(yùn)動(dòng)行為完全恢復(fù)正常。付向東團(tuán)隊(duì)選擇了另一種策略，有效地將星形膠質(zhì)細(xì)胞重編程為神經(jīng)元，帕金森病小鼠的病情恢復(fù)也相對(duì)更為徹底。

該研究團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始對(duì)分離自小鼠大腦皮層和中腦以及人類(lèi)皮質(zhì)中的星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)。他們的目標(biāo)是除掉星形膠質(zhì)細(xì)胞里的PTB蛋白，以此促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)閕DA神經(jīng)元——PTB是一種具有剪接作用的多聚嘧啶序列結(jié)合蛋白，存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞當(dāng)中，它的表達(dá)會(huì)抑制神經(jīng)元分化。付向東等人此前已證實(shí)PTB蛋白越少，細(xì)胞越容易變成神經(jīng)元。

他們采用的方法是破壞編碼PTB蛋白的Ptbp1基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程。具體操作就是使用一種小發(fā)夾結(jié)構(gòu)RNA（shRNA）降解掉那段能指導(dǎo)PTB蛋白合成的信使RNA。如此一來(lái)，數(shù)量多、易增殖，且具有高度可塑性的星形膠質(zhì)細(xì)胞便可以最大限度地向iDA神經(jīng)元轉(zhuǎn)化，結(jié)果也確實(shí)如他們所愿。

值得一提的是，楊輝團(tuán)隊(duì)借助基因組編輯技術(shù)CRISPR-CasRx切掉了小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中Ptbp1基因的mRNA，也達(dá)到了相同的目標(biāo)。（用具備CRISPR-CasRx能力的病毒感染小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞。）

體外成功之后就是體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。付向東團(tuán)隊(duì)使實(shí)驗(yàn)小鼠大腦中的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以被專(zhuān)吃Ptbp1基因的shRNA病毒靶向。shRNA病毒一來(lái)，PTB蛋白自然就銷(xiāo)聲匿跡了。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：小鼠注射病毒后，20%的星形膠質(zhì)細(xì)胞很快就轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)元；10周后，這個(gè)數(shù)字升高至80%；最喜人的是注射12周后，30%～35%的星形膠質(zhì)細(xì)胞成為多種類(lèi)型的iDA神經(jīng)元。

iDA轉(zhuǎn)化依托于多種轉(zhuǎn)錄因子

通過(guò)除掉PTB的方式讓星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化而來(lái)的細(xì)胞類(lèi)型很大程度由其所處腦區(qū)決定，例如，在紋狀體中，iDA神經(jīng)元即是轉(zhuǎn)化終點(diǎn)。那么這種特異性從何而來(lái)呢？

付向東等人發(fā)現(xiàn)中腦星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)表達(dá)低水平的轉(zhuǎn)錄因子Lmx1a和Foxa2；中腦發(fā)育過(guò)程中，它倆在釋放多巴胺的神經(jīng)元的祖細(xì)胞中表達(dá)，也是這些祖細(xì)胞向神經(jīng)元發(fā)展必不可少的要素。 PTB的離去進(jìn)一步加強(qiáng)了Lmx1a和Foxa2的表達(dá)，像Ctip2和Cux這類(lèi)與皮質(zhì)神經(jīng)元相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平也隨著升高。

此外，對(duì)黑質(zhì)或鄰近腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）中的星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行重編程，產(chǎn)生了iDA神經(jīng)元的不同亞型：黑質(zhì)中的Sox6和Aldh1a1，以及VTA中的Otx2。

付向東和同事們的研究結(jié)果表明，腦區(qū)域特定的轉(zhuǎn)錄因子有助于星形膠質(zhì)細(xì)胞向iDA神經(jīng)元的轉(zhuǎn)化。但楊輝團(tuán)隊(duì)的細(xì)胞轉(zhuǎn)變是在紋狀體里實(shí)現(xiàn)的，紋狀體的星形膠質(zhì)細(xì)胞不同于黑質(zhì)及VTA，不會(huì)表達(dá)Lmx1a和Foxa2這些因子，自然沒(méi)法用付團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的機(jī)制來(lái)解釋。

那么紋狀體中導(dǎo)致iDA轉(zhuǎn)換的機(jī)制可能是什么呢？

楊輝團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)接受治療1個(gè)月后的帕金森病小鼠，iDA轉(zhuǎn)換效率差不多提高了2倍。他們提出：在面對(duì)內(nèi)源性的多巴胺神經(jīng)元缺失時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞本身或周?chē)h(huán)境中的細(xì)胞，會(huì)表達(dá)一些促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞向iDA神經(jīng)元轉(zhuǎn)化的因子。換言之，黑質(zhì)及VTA本身就會(huì)表達(dá)Lmx1a和Foxa2這些促使iDA轉(zhuǎn)化的因子，在PTB缺失的情況，這種表達(dá)還會(huì)加強(qiáng)，所以付向東的實(shí)驗(yàn)結(jié)果水到渠成；而紋狀體雖然原本不表達(dá)Lmx1a或Foxa2，但在多巴胺神經(jīng)元缺失的情況下，會(huì)啟動(dòng)另一套轉(zhuǎn)錄因子分泌程序，這些因子同樣可以推進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞向iDA神經(jīng)元轉(zhuǎn)變，因此楊輝等人也得到了差不多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

星形膠質(zhì)細(xì)胞向神經(jīng)元轉(zhuǎn)化的路徑。放射狀膠質(zhì)祖細(xì)胞是干細(xì)胞樣細(xì)胞，在發(fā)育的小鼠中腦里表達(dá)著編碼PTB蛋白的信使RNA。它們可產(chǎn)生神經(jīng)元，也可分化出星形膠質(zhì)細(xì)胞這樣的非神經(jīng)元細(xì)胞，但星形膠質(zhì)細(xì)胞只有在沒(méi)了PTB之后才能轉(zhuǎn)化為神經(jīng)元

分化有先后，PTB有專(zhuān)攻

這些研究引出了一個(gè)有趣的問(wèn)題，那就是為什么星形膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)不斷抑制神經(jīng)元的基因表達(dá)。一種解釋指向細(xì)胞的發(fā)育起源：星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元有共同的祖先——放射狀膠質(zhì)祖細(xì)胞，這是一種干細(xì)胞樣細(xì)胞，能夠先產(chǎn)生神經(jīng)元，然后又分化出星形膠質(zhì)細(xì)胞和其他支持神經(jīng)元的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。

在處于發(fā)育過(guò)程的小鼠中腦里，所有放射狀膠質(zhì)細(xì)胞類(lèi)型都可以正常表達(dá)Ptbp1基因，而走在分化之路上的神經(jīng)元前體細(xì)胞，和已經(jīng)分化完成的神經(jīng)元，則不再表達(dá)Ptbp1。其中原因可能在于星形膠質(zhì)細(xì)胞作為放射狀神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的后代，已經(jīng)承繼了一套讓已有神經(jīng)元安然休眠的程序——除非PTB消失，休眠才可解除。

另外，Ptbp1基因也會(huì)在其他類(lèi)型的中腦細(xì)胞里表達(dá)，這些細(xì)胞包括血管中的內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞，心室腔內(nèi)的室管膜細(xì)胞，以及小膠質(zhì)細(xì)胞（一種免疫細(xì)胞）。接下來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在其他種類(lèi)的帕金森病動(dòng)物模型中，PTB的消解是否也能同樣帶來(lái)iDA神經(jīng)元的轉(zhuǎn)化。

付向東和楊輝等人的策略要在臨床上發(fā)揮作用，可能需要先提高效率。比方說(shuō)，注射shRNA的星形膠質(zhì)細(xì)胞最終有60%～65%是不會(huì)成為iDA神經(jīng)元的。若想提高效率，研究者必須讓shRNA病毒更集中地靶向黑質(zhì)里的星形膠質(zhì)細(xì)胞，或再引入某些因子，使得其他非黑質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞也可以轉(zhuǎn)化為iDA神經(jīng)元。

付向東等人在新發(fā)表研究的最后一組實(shí)驗(yàn)中，探索了一種實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的方法：一種稱(chēng)為反義寡核苷酸的短核酸，能與mRNA結(jié)合并阻止其翻譯出蛋白質(zhì)。借助該反義寡核苷酸破壞PTB的表達(dá)過(guò)程或許可以有效實(shí)現(xiàn)iDA樣神經(jīng)元的轉(zhuǎn)化。他們最后也確實(shí)通過(guò)此方法，恢復(fù)了帕金森病小鼠的運(yùn)動(dòng)行為。

未來(lái)的實(shí)驗(yàn)將研究人類(lèi)中腦或紋狀體的星形膠質(zhì)細(xì)胞是否也可以轉(zhuǎn)化為iDA神經(jīng)元，以及轉(zhuǎn)化后的神經(jīng)元細(xì)胞是否可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，能否精確誘導(dǎo)多巴胺分泌。另外，消解PTB是否有安全隱患，以及怎樣制定出一套完善的治療策略以避免各種健康風(fēng)險(xiǎn)（如星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量減少的后果），也同樣需要研究者花大工夫去琢磨。

總而言之，許多問(wèn)題等待解決，但此類(lèi)基因療法的簡(jiǎn)便性和高效率，使其極具潛力，有望為治療像帕金森病這樣的神經(jīng)系統(tǒng)疾病開(kāi)辟新的篇章。

資料來(lái)源 Nature