找回“失落的记忆”!MIT蔡立慧团队治疗阿兹海默病新疗法

阿兹海默症(Alzheimer’s disease, AD)是世界上最常见的神经退行性疾病。学习和记忆能力下降是AD患者的主要症状之一。在AD患者的大脑中,多种与形成记忆相关的基因表达被关闭了,这是导致AD患者认知能力下降的一个重要原因。日前,麻省理工学院 (MIT) Picower学习与记忆研究中心 (Picower Institute for Learning and Memory) 主任蔡立慧教授带领的课题组发现抑制组蛋白脱乙酰酶2 (histone deacetylase 2, HDAC2) 活性能够在AD小鼠模型中逆转记忆丧失。

▲MIT蔡立慧教授(图片来源:MIT官网)

蔡立慧教授是对AD领域的科学研究有杰出贡献的华人学者。早在2007年,她的课题组就发现HDACs对AD患者的记忆丧失有重要影响。去年她的研究团队在《自然》杂志上发表的研究显示用特定频率的光刺激可以在小鼠AD模型中减少淀粉样蛋白在大脑中的沉积。此次最新研究可能帮助开发治疗AD的创新药物。

2007年,蔡教授带领的研究团队就发现阻断HDACs活性可以在小鼠模型中逆转记忆丢失。HDACs的主要作用是修饰组蛋白,而DNA通过与组蛋白的结合形成染色质(chromatin)。HDACs对组蛋白的修饰能够导致染色质浓缩,从而使位于浓缩部分的基因更难于表达。人体细胞中含有十几种HDACs,蔡教授后来发现HDAC2能够阻断与记忆形成相关的基因表达,而且在AD患者和AD小鼠模型中HDAC2的水平显著上升。

▲HDAC2可能会抑制记忆力(图片来源:《Nature Reviews | Neuroscience》)

“我们认为HDAC2是记忆基因表达的主要调控因子,它在AD大脑中水平上升导致在表观遗传水平上对记忆基因表达的抑制,”蔡博士说:“如果我们能够有针对性地抑制HDAC2的活性或表达,那么我们就可以恢复那些对学习和记忆都非常重要的基因的表达水平。

目前存在的HDAC抑制剂通常在抑制HDAC2的同时还会抑制其它HDACs,包括与HDAC2 非常相似的HDAC1,这会导致毒副作用,因为HDAC1在细胞增生,特别是白细胞和红细胞增生方面起到重要作用。在这项发表在《Cell Reports》的最新研究中,蔡博士带领的研究团队试图找到一种更具特异性的HDAC2抑制剂

为了找到更专一的HDAC2抑制剂,蔡博士的课题组把研究重点放在寻找将HDAC2蛋白募集到它调控的基因附近的共调节子(co-regulator)上面。研究人员利用一种称为加权基因共表达网络分析(weighted gene co-expression network analysis, WGCNA)的分析方法对HDAC2表达量高和低的大脑基因表达图谱进行分析,从中找出2000多个表达特征与HDAC2相关的基因。对这些基因进行进一步的层层筛选之后,研究人员发现一个称为SP3的基因表达的DNA结合蛋白能够HDAC2相结合,可能是HDAC2的共调节因子。

▲敲低SP3或HDAC2能够导致同样的生理效果(图片来源:《Cell Reports》)

为了验证SP3蛋白是否是HDAC2蛋白的共调节子,研究人员首先在体外培养的小鼠神经元中用shRNA技术敲低HDAC2或SP3的表达水平。他们发现,敲低SP3或HDAC2的表达水平同样能够导致小鼠神经元微型兴奋性突触后电流(miniature excitatory post-synaptic currents, mEPSC)的幅度和频率增加。这说明敲低SP3或HDAC2能够导致同样的生理效果。

▲SP3和HDAC2一起共同调节神经突触相关基因的表达(图片来源:《Cell Reports》)

然后,研究人员用RNA-seq技术对SP3或HDAC2被敲低的小鼠神经元的转录组(transcriptome) 进行了分析。他们发现敲低SP3或HDAC2会引起的很多相同的基因出现表达水平上的变化。同时运用ChIP-qPCR技术,研究人员发现SP3和HDAC2都会结合到一系列与神经突触功能相关的基因的驱动子附近。这些数据表明SP3和HDAC2一起共同调节神经突触相关基因的表达。而且,对AD患者的脑组织和小鼠AD模型的脑组织分析表明SP3的表达水平同HDAC2一样在这些组织中显著上升。

在确定SP3能够将HDAC2募集到与神经突触相关的基因周围之后,研究人员着手开发能够阻断SP3与HDAC2之间相互作用的抑制剂。研究人员将HDAC2蛋白的不同区域替换为HDAC1蛋白,然后检测新生成的嵌合蛋白是否仍然具备HDAC2调节神经突触基因的功能。通过这个检测,他们发现在HDAC2 C末端的蛋白片段对HDAC2的基因调控功能非常重要,而且这个片段在免疫共沉淀测试中能够与SP3结合

▲本研究的图解(图片来源:《Cell Reports》)

那么这个片段能不能起到通过与SP3蛋白结合,阻断HDAC2蛋白与SP3蛋白之间相互作用,从而逆转AD症状的作用呢?研究人员发现,如果将这一片段高度表达在体外培养的小鼠神经元中,它可以提高神经元mEPSC的幅度和频率,这与靶向HDAC2或SP3的shRNA的效果非常类似。如果在小鼠AD模型的大脑海马回区域中高度表达这一片段,它可以缓解小鼠依靠海马回的学习和记忆能力的缺陷。同时它可以恢复在这些小鼠大脑中神经突触基因的表达水平。这些实验结果表明,靶向HDAC2的C末端可能成为一种专一抑制HDAC2与SP3结合,从而治疗AD导致的记忆缺陷的策略

蔡立慧团队的研究团队发现的HDAC2 C末端片段仍然包含了90个左右的氨基酸,这个蛋白片段作为药物来说还是太大了。因此研究人员下一步的研究方式是开发能够起到同样效果的更小片段,或者发现小分子化合物能够阻断HDAC2与SP3之间的相互作用。这或许有望能带来改善阿兹海默病患者症状的新药。

 

参考资料:

[1] Blocking a key enzyme may reverse memory loss

[2] Unique visual stimulation may be new treatment for Alzheimer’s

[3] The Transcription Factor Sp3 Cooperates with HDAC2 to Regulate Synaptic Function and Plasticity in Neurons