發(fā)布時(shí)間:2019-07-03
天使綜合征與Ube3a 基因
天使綜合征,又稱安格曼綜合征(Angelman syndrome),是一種從兒童時(shí)期發(fā)病的嚴(yán)重發(fā)育性疾病。天使綜合征的發(fā)病率約為1/15000,患者有癲癇、發(fā)育遲緩、語言發(fā)育障礙及運(yùn)動(dòng)障礙等嚴(yán)重的癥狀,但是常常面露笑容,顯示出天使般的神態(tài),因此被稱為天使綜合征。1965年英國(guó)兒科醫(yī)生Harry Angelman首先發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)性地描述了這種疾病,這種疾病因此得名??蒲泄ぷ髡吆歪t(yī)生對(duì)這種嚴(yán)重的疾病的病因進(jìn)行了數(shù)十年的研究,發(fā)現(xiàn)仿佛是遺傳性的病因,但是好像又不遵循經(jīng)典的孟德爾定律的遺傳法則。研究者發(fā)現(xiàn),只有患兒攜帶從母親那里遺傳來的基因突變的時(shí)候,才會(huì)患病,這究竟是為什么呢?
1993年,美國(guó)國(guó)立腫瘤研究所的Peter Howley博士的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一種人類乳頭瘤病毒發(fā)病的奇特機(jī)制。當(dāng)乳頭瘤病毒HPV-16感染人類宿主細(xì)胞后,病毒攜帶的蛋白質(zhì)E6會(huì)招募宿主本身的一種蛋白質(zhì)——E6相關(guān)蛋白(E6-associated protein, E6AP),進(jìn)而將重要的抑癌蛋白p53進(jìn)行降解,宿主細(xì)胞因而失去抵抗能力,被病毒感染以后發(fā)生異常擴(kuò)增而導(dǎo)致疾病。這種病毒依賴“內(nèi)奸”來關(guān)閉宿主防御能力的機(jī)制真是聰明極了,一定是病毒與宿主在漫長(zhǎng)進(jìn)化過程中相互斗爭(zhēng)的成果。
研究者將這個(gè)宿主內(nèi)的“內(nèi)奸”基因克隆出來,將其命名為E6AP基因。接下來,在貝勒醫(yī)學(xué)院從事醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)研究的Arthur Beaudet博士發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因所屬的染色體區(qū)段很可能與天使綜合征有關(guān),而且,這個(gè)基因位于15號(hào)染色體的長(zhǎng)臂上(15q11-13),這個(gè)區(qū)段有個(gè)非常獨(dú)特的特性,即位于這個(gè)區(qū)段上的基因,是被做了特殊印記的,生物學(xué)上稱作“基因印刻(gene imprinting)”[4]。研究者接著用人類遺傳學(xué)的研究方法發(fā)現(xiàn)E6AP基因的突變確實(shí)是導(dǎo)致天使綜合征的罪魁禍?zhǔn)?/font>[5,6]。
讓我們?cè)谙乱恍」?jié)介紹基因印刻,先說說這個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)。E6AP基因編碼的蛋白質(zhì)也非常重要,屬于細(xì)胞的回收站——泛素化蛋白酶體的核心組分之一。
細(xì)胞的蛋白質(zhì)回收工廠——蛋白酶體
生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)主要通過兩種途徑發(fā)生降解:泛素-蛋白酶體途徑和自噬-溶酶體途徑。蛋白質(zhì)降解不僅僅是垃圾處理(清理失活的蛋白質(zhì)),并且也是細(xì)胞進(jìn)行正常生理活動(dòng)所需要的,比如細(xì)胞周期的進(jìn)行與免疫應(yīng)答等等。
圖1 泛素-蛋白酶體途徑[7]
泛素(ubiquitin)是一種廣泛存在于真核生物中的小分子蛋白質(zhì),只含有76個(gè)氨基酸殘基,在進(jìn)化中高度保守。在泛素-蛋白酶體途徑中,存在3種主要的酶——E1、E2和E3。E1與E2負(fù)責(zé)將泛素蛋白進(jìn)行活化與轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備,而E3(泛素連接酶)則負(fù)責(zé)將活化的泛素連接到即將被降解的蛋白質(zhì)上(圖1)[7]。這樣被標(biāo)記好的蛋白質(zhì)就被送到細(xì)胞的蛋白質(zhì)回收再利用工廠,進(jìn)行分解反應(yīng)。人體細(xì)胞中存在2種E1、至少25種E2、以及超過300種E3,泛素化修飾過程中對(duì)底物蛋白質(zhì)的特異性識(shí)別就是由眾多的E3完成的。
這個(gè)“內(nèi)奸”基因E6AP編碼的蛋白質(zhì),就是一個(gè)重要的E3蛋白,因此E6AP又得到了另外一個(gè)名字——泛素蛋白連接酶3A(Ubiqutin-protein ligase3A, Ube3a)。這個(gè)“內(nèi)奸”基因編碼的蛋白質(zhì)在沒有外敵入侵的時(shí)候,老老實(shí)實(shí)并不做壞事;但是在病毒入侵的時(shí)候,卻幫助病毒干掉了細(xì)胞的守衛(wèi)——抑癌基因p53,導(dǎo)致機(jī)體的細(xì)胞異常增殖而產(chǎn)生腫瘤。這個(gè)重要的機(jī)制與天使綜合征的產(chǎn)生是否有關(guān)系呢?上文提到的貝勒醫(yī)學(xué)院的Beaudet博士團(tuán)隊(duì)在1998年發(fā)現(xiàn),Ube3a基因的突變也確實(shí)可以導(dǎo)致在神經(jīng)元中積累過多的p53蛋白[8]。
那么在神經(jīng)元中,Ube3a是否也行使著類似的功能,與某些入侵的外敵里應(yīng)外合對(duì)p53蛋白進(jìn)行降解?在神經(jīng)元中,這個(gè)過程仿佛是正常生理活動(dòng)所需要的,因?yàn)?/font>Ube3a的突變可導(dǎo)致過多的p53蛋白堆積而導(dǎo)致疾病。Ube3a蛋白在神經(jīng)元中的具體功能是神經(jīng)生物學(xué)的一個(gè)懸而未決的問題,正在被世界各國(guó)科學(xué)家們研究著。
神秘的基因印刻與過猶不及
基因印刻是生物學(xué)家在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的一種奇特的現(xiàn)象。在有性繁殖的高等生物中,雖然父母共同對(duì)子代貢獻(xiàn)50%的遺傳物質(zhì),但是這看上去對(duì)等的遺傳物質(zhì)對(duì)子代的貢獻(xiàn)卻是不同的。有一些基因在子代中的活性取決于它們是來自父本還是母本。比如這個(gè)E6AP/Ube3a基因所在的15q11-13染色體區(qū)段就是著名的基因印刻區(qū)域。子代中來自母本的該染色體區(qū)段活性正常,但是來自于父本的染色體區(qū)段則被沉默,因此如果來自母本的這個(gè)染色體區(qū)段上的基因帶有突變,就會(huì)導(dǎo)致機(jī)體喪失該基因的正常功能。值得一提的是,目前在人類基因組中有近200個(gè)被印刻的基因,且大多數(shù)的基因印刻發(fā)生在大腦中,就是說被印刻的基因的父本和母本拷貝在其他組織中都是活性等同的,只有在神經(jīng)系統(tǒng)中才會(huì)發(fā)生父本或母本被特異性沉默的現(xiàn)象。
天使綜合征的患病兒童絕大部分都是因?yàn)闄C(jī)體中來自母本的Ube3a基因發(fā)生了突變,因此不能維持Ube3a的正常功能,從而導(dǎo)致了疾病。那么來自父本的Ube3a基因?yàn)槭裁匆怀聊??難道是細(xì)胞中的Ube3a蛋白水平需要被維持在一定水平?1997~1998年,一系列的遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn),包括Ube3a基因在內(nèi)的15q11-13基因印刻區(qū)段(而且是具有活性的母本拷貝)如果發(fā)生染色體的倍增,則會(huì)導(dǎo)致患者出現(xiàn)自閉癥的癥狀[9,10]。這說明Ube3a的過多會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生過猶不及的破壞作用。
我們?cè)谏掀芯椭?/font>MeCP2蛋白對(duì)于大腦的功能也是過猶不及的。MeCP2蛋白編碼基因發(fā)生突變會(huì)導(dǎo)致瑞特綜合征,而倍增則直接導(dǎo)致自閉癥。從Ube3a對(duì)大腦的作用我們又看到了類似的現(xiàn)象:神經(jīng)系統(tǒng)的功能往往需要準(zhǔn)確的蛋白質(zhì)水平才能維持,過多或過少都不行。這與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮功能的基本原理有關(guān),神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元之間的通訊單元是突觸,突觸的功能依靠數(shù)百種蛋白質(zhì)進(jìn)行維持,蛋白質(zhì)過多或過少都會(huì)影響突觸的功能。
喚醒沉默的基因
面對(duì)罹患天使綜合征的孩子們可愛的笑臉,無數(shù)的醫(yī)生和科學(xué)家都在試圖找到能夠改善這些患者各種嚴(yán)重癥狀的良藥。他們體內(nèi)來自母親的Ube3a基因發(fā)生了突變,而來自父親的Ube3a基因則被生物體自身的機(jī)制沉默著。我們是否能再一次逆轉(zhuǎn)基因決定的命運(yùn),喚醒沉睡的父本Ube3a基因呢?
2011年,在美國(guó)北卡萊羅那大學(xué)教堂山分校Philpot教授實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究工作的黃憲松博士(來自中國(guó)臺(tái)灣)從事了數(shù)年的研究工作后終于看到了曙光。研究者將Ube3a基因被特異性剔除的小鼠作為研究天使綜合征的動(dòng)物模型,這些缺失了Ube3a基因的小鼠會(huì)發(fā)生癲癇、學(xué)習(xí)與記憶障礙、運(yùn)動(dòng)障礙等與患天使綜合征的小朋友類似的一系列癥狀。黃憲松博士將從缺失了母本Ube3a基因的小鼠中取出的神經(jīng)元養(yǎng)在培養(yǎng)皿中,用多達(dá)2 306種的化合物進(jìn)行篩選,觀察哪種化合物能夠打開父本的Ube3a基因。
修改自文獻(xiàn)[11]。Ube3a基因的父本和母本拷貝在其他組織中都是活性等同的;在神經(jīng)系統(tǒng)中父本Ube3a基因被沉默,母本Ube3a基因正常表達(dá);在天使綜合征患者神經(jīng)元中,來自母本的Ube3a基因發(fā)生了突變;在DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑Topotecan(拓?fù)涮婵?/font>)的干預(yù)下,來自父本的被沉默的Ube3a基因被打開。
圖2 天使綜合征患者的Ube3a基因
說到這,我們先簡(jiǎn)單地說說父本的Ube3a基因被沉默的生物學(xué)機(jī)制是什么。在基因組上基因被沉默的最普遍的方式是DNA區(qū)段被甲基化修飾,比如我們第一篇文章[1]介紹的MeCP2,就是一個(gè)用結(jié)合甲基化DNA的方法來沉默目標(biāo)基因的蛋白質(zhì)。因此研究者一開始以為父本的Ube3a也是被甲基化的機(jī)制進(jìn)行沉默的。但是當(dāng)研究深入進(jìn)行以后,研究者卻發(fā)現(xiàn)了完全不同的方法。在染色體的15q11-13區(qū)段與父本Ube3a基因反向的位點(diǎn)會(huì)表達(dá)一個(gè)非編碼RNA,這個(gè)非編碼RNA會(huì)一直產(chǎn)生覆蓋父本Ube3a基因的部分,導(dǎo)致父本的Ube3a基因無法正常表達(dá)。這種反義RNA介導(dǎo)的基因沉默機(jī)制就是生物體用來在大腦中關(guān)閉父本Ube3a基因表達(dá)的方法(圖2)[11]。
黃憲松博士進(jìn)行了2 000多種化合物的篩選之后,驚喜地發(fā)現(xiàn),有一類化合物居然可以打開沉默的父本Ube3a基因[12]!這類化合物叫做DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑,是20世紀(jì)90年代上市的一系列抗癌藥。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶是腫瘤細(xì)胞在快速增殖的過程中必需的一些因子,因此拓?fù)洚悩?gòu)酶的抑制劑便被發(fā)現(xiàn)有抗癌功能。但是如同其他的抗癌劑一樣,拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑對(duì)人體也會(huì)產(chǎn)生惡心、嘔吐、免疫系統(tǒng)受損等嚴(yán)重的副作用。
黃憲松博士首先發(fā)現(xiàn)一系列的拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑可以成功地在培養(yǎng)皿中打開神經(jīng)元中被沉默的父本Ube3a基因,而且原理就是這些拓?fù)洚悩?gòu)酶的抑制劑可以阻斷那個(gè)抑制了父本Ube3a基因表達(dá)的反義非編碼RNA的產(chǎn)生。黃博士接下來用拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑對(duì)缺失了母本Ube3a基因的小鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)用靜脈注射和腦內(nèi)直接定點(diǎn)注射的方法都可以有效地打開被沉默的父本Ube3a基因,而且產(chǎn)生的Ube3a蛋白具有正常功能??茖W(xué)家們正在研究是否可以用拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑來緩解Ube3a基因敲除小鼠的各種類人類天使綜合征的癥狀。因?yàn)橥負(fù)洚悩?gòu)酶抑制劑本身對(duì)人體的毒性也很大,因此盡量減小藥物的毒性及增強(qiáng)有效性都是亟需解決的問題。
結(jié)束語
天使綜合征是與自閉癥譜系障礙一樣嚴(yán)重影響青少年身心健康的一類發(fā)育性神經(jīng)系統(tǒng)疾病,而且天使綜合征的致病基因Ube3a也與自閉癥有著非常密切的關(guān)系。因此,對(duì)天使綜合征的科學(xué)研究對(duì)自閉癥的神經(jīng)生物學(xué)研究有著非常重要的借鑒意義。大腦中的基因印刻現(xiàn)象一直是一個(gè)未解之謎,高等生物體為什么要在大腦中特異性地產(chǎn)生如此之多的基因印刻?這些被印刻的基因與大腦的正常功能有什么關(guān)系?基因印刻與自閉癥譜系障礙有什么關(guān)系?這些都是世界各國(guó)科學(xué)家正在研究的課題。
從拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑對(duì)天使綜合征小鼠模型的作用中,我們可以看到人類戰(zhàn)勝各種遺傳性疾病的曙光已經(jīng)到來。然而科學(xué)發(fā)現(xiàn)并非可以一蹴而就,往往需要數(shù)年、數(shù)十年的基礎(chǔ)研究工作。隨著科學(xué)與醫(yī)學(xué)的飛速進(jìn)步,我們毫不懷疑在不遠(yuǎn)的將來,人類會(huì)攻克絕大部分的嚴(yán)重疾病。當(dāng)然這需要全社會(huì)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的非功利性的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的支持,讓科學(xué)工作者在探索未知世界的同時(shí),造福人類社會(huì)。
(發(fā)表于生命的化學(xué), 2013, 33(5): 604-607)
參考文獻(xiàn)
仇子龍. 甲基化DNA結(jié)合蛋白MeCP2的神秘使命. 生命的化學(xué), 33(2): 26-30
Scheffner M, Huibregtse JM, Vierstra RD, et al. The HPV-16 E6 and E6-AP complex functions as a ubiquitinprotein ligase in the ubiquitination of p53. Cell, 1993, 75:495-505
Huibregtse JM, Scheffner M, Howley PM. Cloning and expression of the cDNA for E6-AP, a protein that mediates the interaction of the human papillomavirus E6 oncoprotein with p53. Mol Cell Biol, 1993, 13:775-784
Nakao M, Sutcliffe JS, Durtschi B, et al. Imprinting analysis of three genes in the Prader-Willi/Angelman region: SNRPN, E6-associated protein, and PAR-2 (D15S225E). Hum Mol Genet, 1994, 3: 309-315
Matsuura T, Sutcliffe JS, Fang P, et al. De novo truncating mutations in E6-AP ubiquitin-protein ligase gene (UBE3A) in Angelman syndrome. Nat Genet, 1997,15: 74-77
Kishino T, Lalande M, Wagstaff J. UBE3A/E6-AP mutations cause Angelman syndrome. Nat Genet, 1997, 15: 70-73
麻省理工學(xué)院生物學(xué)開放課程. http://ocw.mit.edu
Jiang YH, Armstrong D, Albrecht U, et al. Mutation of the Angelman ubiquitin ligase in mice causes increased cytoplasmic p53 and deficits of contextual learning and long-term potentiation. Neuron, 1998, 21: 799-811
Cook EH Jr, Lindgren V, Leventhal BL, et al. Autism or atypical autism in maternally but not paternally derived proximal 15q duplication. Am J Hum Genet, 1997, 60: 928-934
Schroer RJ, Phelan MC, Michaelis RC, et al. Autism and maternally derived aberrations of chromosome 15q. Am J Med Genet, 1998, 76: 327-336
Chamberlain SJ, Lalande M. Angelman syndrome, a genomic imprinting disorder of the brain. J Neurosci, 2010, 30: 9958-9963
Huang HS, Allen JA, Mabb AM, et al. Topoisomerase inhibitors unsilence the dormant allele of Ube3a in neurons. Nature, 2011, 481: 185-189
附件下載: