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“不老药”的前世今生系列 之 让爱不罕见

 

原创: 尊鹏,王思,维绮

 

著名文学家泰格尔在《新月集-玩具》中描绘了美好的童年:

“孩子,你真是快活呀!

一早晨坐在泥土里,耍着折下来的小树枝儿。

我微笑地看你在那里耍着那根折下来的小树枝儿。”

或许这对正常人来说是非常美好的童年,然而这一切对罕见病患者来说却成了无法实现的奢求!

他们不仅输在了生命的起跑线上,而且在人生的路上他们也异常的艰难!

 

什么是罕见病呢?罕见病其实并不是医学术语,而是从流行病学的角度,归纳出来的发病率极低的疾病。由于罕见病患者数量极少,并未引起科研领域的足够关注,使得该类疾病研究严重滞后,罕见病患者也苦不堪言。2010年国际罕见病日提出Patients and Researchers: Partners for life!—患者和研究者:生命的伙伴的口号。2017年国际罕见病日将With research, possibilities are limitless—研究带来无限可能。定为主题,再次强烈呼吁科研领域加强对罕见病的关注。因此,科学研究是千百万罕见病患者的希望。

早衰症是罕见病中的一类,由于早衰症患者的加速衰老表现与正常个体的生理性衰老具有一定的相似性,因此科学家们认为早衰症是人类研究正常衰老的一个窗口。通过探秘早衰症的致病机理,不仅有助于科学家尽早发现早衰症的治疗方法,还将有助于加深我们对人体衰老及衰老相关疾病的认识,同时也为延缓衰老、实现健康长寿提供理想的科学平台和依据。根据发病原因和临床表现,目前所知的人类早衰症主要有四类,即儿童早衰症(Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS)、成年早衰症(Werner syndrome, WS)、着色性干皮病(xeroderma pigmentosum, XP) 和科凯恩氏综合征(Cockayne syndrome, CS) 。

现代科学认为:人体的衰老,究其根源是细胞的衰老,而干细胞是各种组织细胞更新换代的“种子”,是人体细胞的“工厂”。干细胞的衰老会严重减弱其增殖和分化的能力,导致新生的细胞“补充不足”,衰老细胞不能及时被替代,进而全身各系统生理功能的下降。因此,干细胞技术已然成为生物医学领域最热门、最先进的生物医学技术,同时也为各种疾病带来福音,其中就包括各种早衰类疾病。本期“醉心科学”将和大家一起探秘“早衰症与干细胞”背后的故事。

 

1. >>儿童早衰症<<<

儿童早衰症是一种极其罕见的常染色体显性早老综合性疾病。患者自婴儿期开始出现加速衰老的特征,包括心血管功能的紊乱、皮下脂肪的缺少、骨质疏松、关节炎、脱发等。儿童早衰症患者的平均寿命约为13岁,几乎均死于动脉粥样硬化和心肌梗死等并发的心血管疾病。虽然,早在1886年和1904年,儿童早衰症分别由Hutchinson和Gilford发现并报道,但其致病机制并不清楚。直到2003年,美国国立卫生研究院的Francis Collins研究组和法国国家健康与医学研究院的Nicolas Levy研究组在Nature和Science杂志上同时报道了核纤层蛋白A(Lamin A)的基因的突变是导致早衰症儿童细胞结构及生理功能加速退化的重要原因。

 

Scaffidi P., et al. PLoS Biol, 2005, 3(11):e395

 

经典的LMNA第1824位碱基发生替代性点突变(C1824T)所导致的G608G突变会引起核纤层蛋白前体(Prelamin A)的异常剪切,从而产生缺失50个氨基酸的截短体,被称为早老蛋白(Progerin)。这种异常Lamin A 蛋白的累积会引起细胞核膜结构和功能的异常,并引起细胞及组织器官的加速衰老,进而导致早衰。

 

De Sandre-Giovannoli A., et al. Science, 2003, 300(5628):2055;

Eriksson M., et al. Nature, 2003, 423:293-298.

 

2011年,Liu等基于细胞重编程技术建立了儿童早衰症特异的诱导多能干细胞(Induced Pluripotent Stem Cell, iPSC)研究体系,并基于定向分化技术建立了人类血管衰老的研究模型,并发现这种血管平滑肌细胞表现出细胞核皱缩、异染色质(表观遗传标记物)的缺失、衰老相关的β半乳糖苷酶(SA-β-Gal)活性增加、端粒损耗等衰老相关表型。当Progerin表达被敲减后,病人来源的血管平滑肌细胞则不再呈现出加速衰老的特征。此外,Liu等还利用HDAdV介导的基因编辑技术在儿童早衰症的诱导多能干细胞中靶向矫正了LMNA的致病突变,为研究和治疗儿童早衰症和核纤层疾病提供了重要的线索。2016年,该团队还利用同基因型(Isogenic)的儿童早衰症间充质干细胞研究体系,筛选获得了NRF2激动剂奥替普拉(Oltipraz),能够减儿童早衰症间充质干细胞加速衰老的表型。

 

Liu G., et al. Nature, 2011. 472(7342): 221-225.

Liu G., et al. Cell Stem Cell, 2011, 8(6):688-94.

 

此外,Zhongjun Zhou研究组基于金属蛋白内切酶Zmpste24缺失的早衰小鼠的研究结果,揭示了白藜芦醇(Resveratrol)可以提高早衰小鼠间充质干细胞和造血干细胞的自我更新能力,从而有效地延长了早衰小鼠的寿命。

 

 

Liu B., et al. Cell Metab, 2012, 16(6):738-50.

 

2.>>>成年早衰症<<<

成年早衰症是由WRN基因突变所导致的一种罕见的常染色体隐性遗传性疾病。患者常表现为自青春期开始提前启动衰老程序,加速呈现出自然衰老的表征并伴发多种老年性疾病。临床表征主要包括身材矮小、双眼异常病变、头发灰白脱落、肌肉萎缩、骨质疏松、动脉粥样硬化和智力下降等。

 

成年早衰症患者

 

WRN属于RecQ解螺旋酶家族的主要成员之一,大量的研究已经表明WRN在DNA的复制和修复、端粒维持和保护、基因组稳定、细胞周期控制等方面都发挥了关键的作用,但是该病具体的发病机制尚不完全明确。2015年,Zhang等通过基因编辑技术在人的胚胎干细胞中引入了WRN基因的缺失突变,并将其定向诱导分化为间充质干细胞,从而建立了成体干细胞加速衰老的疾病模型。WRN缺失的间充质干细胞除了具有加速衰老的特征外还表现为核膜蛋白和核周异染色质结构的缺失。进一步研究发现,WRN可以通过维持异染色质的稳定性从而抑制干细胞的衰老。该研究首次提出了异染色质的结构失序是人类细胞衰老的驱动力之一。此外,Cheung等和Shimamoto等两个独立的研究团队分别建立了成年早衰症的诱导多能干细胞模型,其定向分化的间充质干细胞也表现出加速衰老的特征。

 

 

Zhang W., et al. Science, 2015, 348(6239):1160-3.

 

3.>>>其他类型的早衰症<<<

人类的遗传物质DNA在紫外线、有毒化学物质和辐射等情况下都会受到损伤,在紫外线的照射下,基因组上相邻嘧啶碱基之间会形成嘧啶二聚体光产物。机体为维持基因组稳定性和完整性,产生了多种DNA损伤修复机制,其中就包括核苷酸切除修复(Nucleotide excision repair, NER)。约有30种蛋白质参与到NER途径中,其中就包括CSA-CSB、XPA-XPG。细胞进行核苷酸剪切修复时首先会通过XPC-HR23B和CSA-CSB复合物识别基因组中的受损位点,并募集XPA进一步确认,然后XPB和XPD作为两个解旋酶解开DNA双链。随后,核酸内切酶XPG和XPF将损坏的基因位点去除。若NER系统出现异常,细胞便不能有效清除基因组中的嘧啶二聚体, 进而细胞易发生病变或死亡,或进而发展为癌细胞。着色性干皮病和科凯恩综合症都是NER通路异常所导致的早衰类疾病。

 

 

Fu L., et al. Protein Cell, 2016, 7(3):210-21.

 

3.1>>>着色性干皮病<<<

着色性干皮病是一种罕见的常染色体隐性遗传性疾病,我国发病率为1/25万。着色性干皮病患者主要表现为皮肤的过早老化和神经系统的异常。该病患者一般出生时皮肤正常,在出生后6个月至3岁开始发病。患者皮肤对日光极度敏感, 暴露部位的皮肤易发生萎缩、伴有大量的雀斑样色素加深斑、毛细血管扩张、瘢痕形成和日光角化病等皮肤疾病,并继发有基底细胞癌、鳞状细胞癌和恶性色素瘤等。此外,约20%的患者有神经系统异常症状,可表现为深反射缺失、进行性的感觉神经性耳聋及身体和智力发育迟缓等,约有2/3患者于20岁前死亡。

 

着色性干皮病患者

 

1968年,Cleaver等证实着色性干皮病是由“DNA切除修复系统”功能缺损或降低所致。目前,该病主要分为八种亚型和1种变异型。八种亚型XPA、XPB、XPC、XPD、XPE、XPF、XPG、XPH和1中变异型XP-V的致病基因分别是XPA、ERCC3(XPB)、XPC、ERCC2(XPD)、DDB2(XPE)、ERCC4(XPF)、ERCC5(XPG)、ERCC1、和POLH(XP-V)基因。

 

 

着色性干皮病的八种亚型和1种变异型

Fassihi H. Photochem. Photobiol. Sci, 2013,12, 78.

 

2016年,Fu等通过体细胞重编程建立了分别携带XPA,XPB,XPC,XPG和XPV五种不同XP基因突变的患者特异的诱导多能干细胞,并将其进一步分化为神经细胞,以研究其对DNA损伤应激的易感性。研究表明,XPA的突变会导致神经干细胞(NSC)或神经元严重的DNA损伤修复缺陷,并且这些神经细胞对DNA损伤诱导的凋亡极度敏感。因此,XP基因突变特异的神经干细胞和神经元模型的建立为深入探究着色性干皮病患者神经系统异常的分子机制提供了重要的研究平台。

 

Fu L., et al. Protein Cell, 2016, 7(3):210-21.

 

3.2>>>科凯恩氏综合症<<<

科凯恩氏综合症是罕见的常染色体隐性多系统疾病。该疾病首次由英国医生科凯恩博士(Edward Alfred Cockayne)于1936年报道,其致病机理与NER信号通路中的CSA(或ERCC8)和CSB(或ERCC6)基因位点的突变相关。

 

科凯恩氏综合症患者

 

科凯恩氏综合症主要的临床特征为一定的早衰特征:身材矮小消瘦、体形衰萎、面容苍老、日光性皮炎以及神经系统发育异常及认知功能障碍等。其病理特征是白质斑块状脱髓鞘及基底节和齿状核的钙化。根据科凯恩氏综合症的临床症状表现不同、发病时间及其严重程度可将患者分为多个亚型:重度II型的特点是产前发作,寿命短(2-7岁),体型非常小,神经功能异常严重;中度I型在出生后头两年出现症状发作;轻度III型类则在青少年或成年发病,预期寿命长达40年以上,保持言语和行走能力。迄今为止,在CSB基因中已经发现了至少78种不同的突变,CSA基因中有30种突变与科凯恩氏综合症密切相关。CSA或CSB的突变均可能导致I、II、III型科凯恩氏综合症的病症。

 

Laugel V. Mechanisms of Ageing and Development, 2013, 134:161–170.

 

2012年美国加州大学圣地亚哥分校的Muotri研究组利用体细胞重编程技术建立了携带CSB(R735X)突变的科凯恩氏综合症病人的诱导性多能干细胞研究体系。该研究表明,CSB对于多能干细胞的干性维持和细胞生存是至关重要的,携带致病突变的干细胞表现为细胞死亡的增加以及活性氧和DNA损伤的增加,并伴随着硫氧还蛋白互作蛋白(TXNIP)和TP53的上调表达。作者提出的模型认为:在正常的细胞中,CSB抑制TXNIP的表达,因此释放了硫氧还蛋白的活力,从而有效地清除了活性氧并有利于细胞存活。然而,CSB发生突变的干细胞中TXNIP转录水平的增加会导致细胞内活性氧的聚集,进而通过上调TP53的表达引发细胞的死亡。

 

 

Andrade LN., et al. Hum Mol Genet, 21(17):3825-34.

 

2016年Muotri研究组将科凯恩氏综合症疾病特异的诱导性多能干细胞定向分化为神经元,建立了科凯恩氏综合症的神经系统研究模型。该研究发现CSB基因是正常神经元功能所必需的。CSB缺陷型神经元表现出突触密度的降低以及电生理活动同步性的降低。

 

Vessoni AT., et al. Hum Mol Genet, 25(7):1271-80.

 

事实上早衰症并非仅仅停留在基础研究阶段,人们对早衰症的干细胞临床治疗上也进行了积极的探索。2016年6月,北京大学第三医院尝试应用胎盘间充质干细胞来治疗一位科凯恩氏综合征患者,这是国际上首例利用间充质干细胞来治疗早衰症的病例。随着干细胞移植治疗的深入,这名早衰症女孩的生命或将被延长,我们期待这样的医学奇迹。该研究结果也将证实间充质干细胞在治疗衰老及衰老相关慢性疾病中的潜在的医学价值及应用前景。

 

接受治疗的科凯恩氏综合征患者桐桐

 

虽然,通过移植患者弟弟的胎盘间充质干细胞来进行治疗,患者的生命能够得以延长。然而,使用“异体”来源的间充质干细胞进行治疗仍旧无法排除异体治疗的安全性隐患。或许,通过体细胞重编程技术产生患者自身的iPSC,然后通过基因编辑技术对致病基因突变进行靶向的矫正,进而定向诱导分化为临床级别的“自体”间充质干细胞,可能也提供了另外一种在未来可行的治疗方案。

 

基于iPSC的个体化治疗方案

Robinton DA. Robinton.Nature, 481, 295–305.

 

关注罕见病,让爱不罕见。每年二月的最后一天是国际罕见病日(National Rare Diseases Day),由欧洲罕见病组织(EURODIS)于2008年2月29日发起,旨在促进社会公众和政府对国际罕见病日以及罕见病群体面临的问题的认知。在这里我们也呼吁全社会对罕见病患者给予充分的爱、关怀与尊重,也呼吁科研领域继续加强对罕见病的关注和研究力度,让患者和研究人员真真正正的成为“生命的伙伴”。同时,我们也对罕见病相关的医学研究寄予最美好的期待,坚信研究将带来无限可能!在这里,希望每一位罕见病患者能够像泰戈尔在《孩子的世界》中所描述的那样“有星星同他说话,天空也在他面前垂下,用它傻傻的云朵和彩虹来愉悦他。”

拥有一个美好的童年、不再受病魔的困扰!

 

插图:竹一贤

(请遵守医嘱服用任何药物)

 

(转自微信公众号“醉心科学”)

 

 

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