Nature封面:重新長出神經元!付向東團隊找到帕金森病治療新策略
iNature · 4天前
這項研究為帕金森病及其他神經退行性疾病提供了極具前景的治療策略和方法,并獲得了神經科學領域的廣泛關注。--該研究還被選為Nature 的封面文章。

本文轉載自“iNature”。


撰文|胡婧(電子科技大學醫學院),錢浩(加州大學圣地亞哥分校)

2020年6月24日,加州大學圣地亞哥分校付向東團隊在Nature 發表題為:Reversing a model of Parkinson’s disease with in situconverted nigral neurons 的研究論文。


該研究發現在星形膠質細胞中敲降RNA結合蛋白PTB可將其直接轉分化為功能性的神經元;這種僅需一步的轉分化技術可在帕金森病小鼠模型中誘導產生新的多巴胺功能性神經元、重建受損的神經環路、恢復紋狀體內多巴胺水平,并有效治療帕金森綜合征相關的運動障礙;更重要的是,使用抑制PTB的反義寡核苷酸(ASO)也能達到類似治療效果。

這項研究為帕金森病及其他神經退行性疾病提供了極具前景的治療策略和方法,并獲得了神經科學領域的廣泛關注。--該研究還被選為Nature 的封面文章。

 

封面制作:茍蘭濤/[email protected]

瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所Ernest Arenas在Nature 發表了題為:Method to combat Parkinson’s disease by astrocyte-to-neuron conversion 的點評文章,該文章系統點評了該研究成果,同時指出該研究有望為神經系統疾?。ㄈ缗两鹕喜。┑脑偕t學的發展開辟新的篇章。

 

神經退行性疾病是老齡化社會中人--群健康的主要威脅之一。以帕金森?。≒arkinson’s disease)為例,全世界已有超過一千萬的患者,而目前所采取的藥物和手術治療只能延緩疾病惡化而不能徹底治愈。若要從根本上恢復患者的生理功能,則需體外移植或原位再生新的神經元。然而,利用誘導型多能干細胞(iPSC)分化的神經元進行移植治療存在整合難、癌變性和免疫原性等問題。因此,從膠質細胞直接進行神經元原位轉分化(trans-differentiation)將可能是根治神經退行性疾病的有效策略。

不同于在膠質細胞中過表達神經元特異轉錄因子以誘導神經原位再生的“加法”策略,付向東教授提出了“減法”策略,即通過在非神經元細胞中敲降一個在神經分化過程中自然下調的關鍵抑制因子—RNA結合蛋白PTB—來誘導生成神經元,該方法更為簡便、安全、易操作。

付向東教授是RNA功能基因組學領域的領軍人物,而十年前一個偶然的發現將他引領到神經退行性疾病治療方法研發。2009年,付教授的博士研究生薛愿超(現任中國科學院生物物理研究所研究員),在研究PTB在細胞內調控RNA剪切的位置效應和分子機制時無意中發現,穩定敲降PTB的HeLa細胞長出了類似神經元的突起;深入研究發現,PTB敲降后的小鼠成纖維細胞可以轉變成功能性的成熟神經元,該項工作于2013年在 Cell 雜志上發表。隨后,薛愿超研究員與付實驗室博士后錢浩博士通力合作,于2016年又在 Nature Neuroscience 雜志上發表了人源成纖維細胞到神經元轉分化的研究論文,闡明了人源細胞神經元轉分化過程中需要以PTB和nPTB為主的兩個調控環路。

在此基礎上,錢浩博士等人在北京大學周專教授和西南醫科大學康新江教授的鼎力協助下,經過不懈努力,終于實現將小鼠星形膠質細胞(astrocyte)敲降PTB、原位轉分化為功能性神經元,并證實了“減法”策略對帕金森病模型小鼠有顯著療效。

這一激動人心的工作于2017年12月第一次投稿到 Science,其后又根據多方建議補充了大量實驗數據,并于2018年11月投稿到 Nature,在今年5月被正式接收。從2017年9月至今,付向東教授一直秉持開放的科學態度,在國內外多個研究機構和學術大會分享了該項研究的實驗設計和研究成果。特別是在2018年6月,付教授受邀中國科學院上海神經科學研究所介紹這項研究工作,引起了國內神經科學領域的高度關注,并獲得廣泛好評。

在這篇論文中,作者首先發現,分離的小鼠或人源星形膠質細胞在敲降PTB之后,可高效轉分化為表達TUJ1和MAP2標志蛋白的成熟神經元,且這些神經元是有功能性的,具備神經特異的鈉電流和動作電位,并可檢測到突觸后電流(圖1)。


圖1. PTB敲降可誘導小鼠星形膠質細胞轉分化為成熟的功能性神經元(圖源自Nature )

在得到體外實驗證據后,作者構建了腺相關病毒(AAV)載體,利用星形膠質細胞特異的啟動子GFAP驅動PTB shRNA表達,并利用共表達的紅色熒光蛋白進行示蹤;將腺相關病毒注射到中腦(midbrain)后,發現在星形膠質細胞中實現了PTB的敲低,進而誘導神經元轉分化;由于受腦區微環境的影響,在中腦轉分化生成的神經元中有許多是表達TH的多巴胺能神經元?;诖?,作者選擇6-OHDA引發損傷的帕金森病小鼠模型,驗證此策略原位再生多巴胺能神經元,發現新生的神經元可正常分泌多巴胺(圖2),并使小鼠受損的運動行為恢復正常。


圖2. 小鼠中腦星形膠質細胞敲降PTB轉分化為多巴胺能神經元(圖源自Nature )

為了確認由星形膠質細胞原位轉化而來的新生神經元是否重建了受損神經通路,作者利用熒光微粒(retrobeads)逆向示蹤技術,驗證了新生神經元從中腦黑質(substantia nigra)到紋狀體(striatum)的投射(圖3a);并且又引入化學遺傳學技術(DREADD)操控轉分化神經元,觀察到小鼠相應的運動行為取決于新生神經元的功能是否正常(圖3b)。這一系列實驗結果,有力地證明了轉分化誘導的神經元重建了受損的黑質-紋狀體通路,逆轉了神經損傷所帶來的功能障礙。


圖3. 轉分化神經元可以有效整合并重建遠程神經通路連接。 (a)熒光微粒逆向示蹤技術顯示新生神經元的遠距離連接;(b)化學遺傳技術模型進一步驗證新生神經元重建通路恢復功能(圖源自Nature )。

除了利用腺相關病毒之外,作者還嘗試給帕金森病小鼠注射抑制PTB的反義寡核苷酸,發現其同樣能促進從星形膠質細胞到神經元的轉分化(圖4a),并且有效地逆轉了小鼠運動缺陷的癥狀(圖4b)。這些發現不僅證實了反義寡核苷酸在誘導神經元轉分化方面的有效性,還為開發帕金森病相關藥物奠定了堅實的基礎。


圖4. PTB反義寡核苷酸也可以逆轉帕金森病小鼠癥狀。(a)PTB反義寡核苷酸在體外或體內誘導神經元轉分化并表達泛神經元和多巴胺能神經元特異標志蛋白;(b)PTB反義寡核苷酸有效地緩解帕金森病小鼠運動障礙表型(圖源自Nature)。

綜上所述,付向東教授團隊利用腺相關病毒shRNA或反義寡核苷酸藥物降低PTB水平,成功地在帕金森病模型小鼠的中腦,將星形膠質細胞轉分化為多巴胺能神經元,并有效地逆轉了小鼠運動障礙的癥狀。

無獨有偶,今年4月中國科學院上海神經科學研究所楊輝組在 Cell 雜志上也發表了相關論文,他們以CRISPR-CasRx系統介導了Ptbp1敲低,分別在小鼠視網膜和大腦紋狀體里將膠質細胞轉變為視神經節細胞和多巴胺能神經元,進一步佐證了“減法”策略在治療神經退行性疾病中的可行性。


圖5. 通過敲低PTB將星形膠質細胞原位轉化為黑質神經元,可以逆轉小鼠帕金森綜合征病癥,并有望拓展到其它神經退行性疾病的研究及治療(圖源自Nature )。

付實驗室這項突破性研究工作歷經十年,從生物學現象入手,首先詳細解析了以PTB為核心的神經元分化調控機制,然后再從理論探索逐步推進到疾病治療相關的臨床轉化上,展示了基礎研究的無窮魅力和重要性。

付向東教授表示:"當前的目標是盡快將這一技術推向臨床試驗,測試其對帕金森綜合征患者的治療效果。與此同時,我們也計劃針對其他因神經元損失而導致的神經退行性疾病進行類似的研究,包括阿爾茨海默癥,亨廷頓舞蹈癥和中風等,我打算用余生全力以赴這些研發工作?!?/p>

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