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【NSR】厦门大学医学院王鑫团队揭示抗癫痫“老药”的新应用:强力逆转小脑共济失调!

时间:2021-02-26 热度: 分享到:

背景介绍
 

共济失调(Ataxia)是一类以运动协调性紊乱为主要特征的神经系统症状,临床表现包括步态不稳、丧失平衡、吞咽困难、眼球运动异常、肌张力受损等。其中,遗传性共济失调具有高度的临床和遗传异质性,病死率和病残率较高,约占神经系统遗传性疾病的10%~15%,目前此类疾病的治疗仍为世界难题。2014-2015年,两个国际研究团队分别报道了一种新型遗传性共济失调(spinocerebellar ataxia, autosomal recessive 20, SCAR20)[1, 2],SCAR20患者表现为早发性小脑萎缩和严重的运动失衡,全基因组测序结果发现该病是由SNX14基因突变所致,但具体发病的机制未知,治疗更无从谈起。 

 

2020年,厦门大学医学院神经科学研究所王鑫教授团队在《国家科学评论》(National Science Review)上发表题为“SNX14 deficiency-induced defective axonal mitochondrial transport in Purkinje cells underlies cerebellar ataxia and can be reversed by valproate”的研究成果[3]。该研究首次从轴突线粒体运输这一全新视角揭示了一类遗传性共济失调(spinocerebellar ataxia, autosomal recessive 20, SCAR20)的发病机制,并发现抗癫痫药--丙戊酸大幅度减缓模型小鼠的疾病进程,具有较强的转化应用价值,有望为共济失调提供新的治疗手段。


作者简介:
      王鑫,厦门大学医学院神经科学研究所教授、博士生导师,国家自然科学基金优青项目获得者(2018年),福建省“闽江学者”特聘教授,福建省“百人计划”专家,厦门市首届杰出青年人才。王鑫教授课题组主要致力于神经系统疾病的致病机理和药物靶点探索。近年在Nat Med、Natl Sci Rev、Sci Adv、PloS Biol等国际知名学术期刊发表研究论文20余篇。王鑫教授课题组因工作需要,热忱欢迎优秀博士后加盟,同时欢迎优秀学子报考厦门大学医学院神经科学研究所王鑫教授课题组研究生。联系方式:wangx@xmu.edu.cn

结果
1.SCAR20的“罪魁祸首”是小脑浦肯野细胞的自发性死亡
首先,研究人员通过Snx14flox/floxSnx14f/f)小鼠和Nestin-Cre小鼠(由Nestin启动子驱动表达的Cre重组酶,Nestin在神经元和胶质细胞前体表达)杂交构建Snx14条件性敲除小鼠(cKO)模拟SCAR20疾病模型,并借助旋转杆和平衡木行为学范式发现,特异性敲除中枢神经系统Snx14可导致小鼠从1月龄开始出现SCAR20表型,表现为轻度运动协调性紊乱,且在2、3月龄时,其运动协调性紊乱现象逐渐恶化(图1A-C)。
接下来,作者借助组织学和病理学分析发现,cKO小鼠的浦肯野细胞明显减少(图1D,E)。同时,平衡木行为学实验结果显示,浦肯野细胞数量与足部滑移呈负相关(图1F),这提示了小鼠运动协调性紊乱中存在Snx14依赖的浦肯野细胞变性。进一步,作者借助浦肯野细胞标记物碳酸碱酶8(carbonic anhydrase 8, CA8)进行免疫荧光染色,结果发现,Snx14f/f小鼠中约为16%的CA8阳性的浦肯野细胞轴索肿胀,透射电镜(TEM)观察发现,在这些肿胀的轴突中线粒体、溶酶体和其他细胞器出现异常积累(图1G-I)。
图1 SNX14缺陷导致小鼠运动协调性紊乱和浦肯野细胞变性

       由于Snx14 mRNA主要在小鼠小脑的浦肯野细胞中表达[Allen Brain Atlas],基于此,研究人员通过将Snx14f/fPcp2-Cre转基因鼠杂交,构建浦肯野细胞特异性Snx14 KO(Snx14f/f:Pcp2-Cre)小鼠模型。行为学实验结果显示,3、4月龄的Snx14f/f:Pcp2-Cre小鼠表现出运动协调性障碍现象(图2A)。此外,与cKO小鼠类似,随着年龄的增长,Snx14f/f:Pcp2-Cre小鼠浦肯野细胞受损,出现轴突肿胀现象(图2B-F)。
Allen Brain Atlas (www.brainatlas.org)
Snx14缺失导致浦肯野细胞的细胞自发性死亡
       上述结果提示了,SCAR20的“罪魁祸首”是小脑浦肯野细胞的自发性死亡,浦肯野细胞死亡产生的细胞碎片激活小胶质细胞,继而进一步促进浦肯野细胞死亡,形成恶性循环。至终末期,浦肯野细胞几乎消亡殆尽。

2.Snx14缺陷导致浦肯野细胞线粒体功能障碍
接下来,为探究SCAR20中浦肯野细胞自发性死亡的分子机制,作者借助TMT定量蛋白组学技术对1月龄的Nestin-Cre和cKO鼠小脑的整体蛋白质组表达谱进行了分析,共鉴定出222个差异表达蛋白(differentially expressed proteins, DEPs)显著上调,352个DEPs显著下调(图3A)。值得注意的是,这些下调的DEPs中观察到线粒体富集现象(图3B)。
浦肯野细胞是脊椎动物脑内体积最大的神经元之一,其树突分支极其精细、复杂,每个神经元可接受来自上游2万个颗粒细胞的轴突投射,如此庞大的细胞“机器”运作需要巨大的能量供应,同时对能量缺乏异常敏感。通过对小脑进行系统的组学分析和功能学研究发现,cKO鼠小脑中浦肯野细胞的线粒体功能缺陷、活性氧自由基过度产生(图3C-H)。作为细胞的“能量工厂”,线粒体功能受损对能量需求旺盛的浦肯野细胞无疑是致命打击。
3 Snx14缺陷导致浦肯野细胞线粒体功能障碍
 
3.Snx14缺陷导致Spastin蛋白降解,影响线粒体运输
       进一步,作者借助TEM观察到在Snx14 缺失的浦肯野细胞肿胀的轴突中,出现线粒体聚集和微管紊乱现象(图4A-C)。由于轴突“货物”运输依赖于线性微管组织,因此,研究人员利用实时显微成像技术监测Snx14缺陷神经元轴突中的线粒体运动。结果显示,Snx14缺失神经元轴突中运动的线粒体数量明显减少,导致线粒体顺逆行运输受损(图4D)。随后,研究人员借助蛋白质组学分析技术发现SNX14通过与微管剪切蛋白Spastin相互作用发挥功能,SNX14缺陷导致Spastin蛋白降解(图4E-J),从而影响神经元轴突中微管的正常剪切,破坏微管结构动态性,进而使依赖微管运输的“货物”(线粒体等细胞器)“派送”异常,导致浦肯野细胞因细胞能量供应障碍而死亡。
图4 SNX14缺失破坏微管结构和线粒体运输
 
4.丙戊酸改善小鼠的SCAR20表型
       基于上述结果,该研究团队进一步从改善轴突运输和线粒体功能入手寻找治疗的药物。丙戊酸(valproate,VPA)作为抗癫痫常用药而被人们熟知,其临床应用已接近60年,药效及安全性较为明确。值得一提的是,VPA在神经元轴突重塑和生长方面具有重要调控作用[4-5],利用这一功能,研究人员尝试对SCAR20模型小鼠进行治疗。他们在出生后25天(P25)cKO小鼠连续35天腹腔注射VPA,随后检测其行为和小脑生理变化(图5A)。结果显示,慢性注射VPA可显著改善cKO小鼠的运动协调性(图5B),同时,VPA还改善了在小脑分子层(molecular layer,ML)的厚度,抑制了浦肯野细胞的丢失,并恢复了相关基因信号(图5C-F)。此外,体外培养浦肯野细胞,经VPA处理后,Snx14 KO浦肯野细胞的细胞大小和分支复杂度也得到改善(图5H,I)。
图5 VPA改善Snx14 缺陷小鼠共济失调表型

       最后,研究人员对VPA的治疗机制进行探讨。发现VPA可以显著改善轴突病变及微管紊乱现象(图6A-C),此外,VPA处理也缓解了Snx14缺失的浦肯野细胞中线粒体轴突异常积累(6D),同时,借助延时显微镜对轴突线粒体运动进行了观察,发现VPA可以显著恢复Snx14 KO神经元线粒体运输和功能(图6E-G)。
图6 VPA恢复了线粒体功能和运输
 
结论
       该研究通过构建多个Snx14条件性敲除小鼠模型,证实引起SCAR20的“罪魁祸首”是小脑浦肯野细胞的自发性死亡。接下来,作者借助系统的组学分析、功能学研究、行为学等技术手段揭示SCAR20中浦肯野细胞自发性死亡的分子机制,发现Snx14缺失可导致浦肯野细胞的线粒体功能缺陷、活性氧自由基过度产生,此外,SNX14通过与微管剪切蛋白Spastin相互作用发挥功能,SNX14缺陷导致Spastin蛋白降解,从而影响神经元轴突中微管的正常剪切,破坏微管结构动态性,进而使依赖微管运输的“货物”(线粒体等细胞器)“派送”异常,导致浦肯野细胞因细胞能量供应障碍而死亡。最后,该研究团队从改善轴突运输和线粒体功能入手,发现抗癫痫常用药--丙戊酸,可改善小鼠的共济失调表型,抑制浦肯野细胞的死亡,减弱神经炎症,同时线粒体运输和功能也得到一定恢复。受到丙戊酸在SCAR20模型小鼠上良好治疗效果的鼓舞,研究团队期望进一步在临床试验中评价丙戊酸“老药新用”的可能性,让SCAR20患者早日受益。另外,进一步评价丙戊酸是否适用于其它类型的遗传性共济失调(尤其以浦肯野细胞死亡为特征的),也将是未来研究的一个重要方向。
SCAR20发病的分子/细胞学机制及治疗示意图
 
       厦门大学医学院助理教授张洪峰和博士生洪育娟共同完成主要实验工作,为文章的共同一作,王鑫教授为文章通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、福建省自然科学基金、厦门大学校长基金的资助和支持。

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原文链接:https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab024/6132275

参考文献
1. Akizu N, et al. Biallelic mutations in SNX14 cause a syndromic form of cerebellar atrophy and lysosome-autophagosome dysfunction. Nat Genet 2015;47(5):528-34. doi: 10.1038/ng.3256.
2. Thomas AC, et al. Mutations in SNX14 cause a distinctive autosomal-recessive cerebellar ataxia and intellectual disability syndrome. Am J Hum Genet 2014;95(5):611-21. doi: 10.1016/j.ajhg.2014.10.007.
3. Zhang HF, et al. SNX14 deficiency-induced defective axonal mitochondrial transport in Purkinje cells underlies cerebellar ataxia and can be reversed by valproate. NSR. doi:10.1093/nsr/nwab024.
4. Bachmann RF, et al. Common effects of lithium and valproate on mitochondrial functions: protection against methamphetamine-induced mitochondrial damage. International  Journal  of  Neuropsychopharmacology  2009; 12(6):805-822.  doi: 10.1017/S1461145708009802

5. Biermann J, et al. Valproic acid-mediated neuroprotection and regeneration in injured retinal ganglion cells. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010; 51(1):526-34. doi: 10.1167/iovs.09-3903.


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