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2018
02-07

研究人员追踪遗传缺陷在肌强直性肌营养不良中的作用


加利福尼亚州圣克鲁兹 - 对导致肌强直性肌营养不良症的遗传缺陷的研究显示,突变通过其对两种关键蛋白质的作用破坏肌肉细胞中的一系列代谢途径。一项研究发表在 Nature Structural&分子生物学显示单一蛋白质的损失占了与疾病有关的大部分分子异常,而第二种蛋白质的损失似乎也起着重要的作用。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校细胞和发育生物学教授曼努埃尔·阿瑞斯(Manuel Ares)说,每一种受影响的蛋白质都与一系列在肌肉细胞和其他组织中有活性的基因相互作用。该研究揭示了一个分子事件的级联序列,其中一个基因的突变最终影响了数百个其他基因和依赖于它们的生理过程。 Ares说:“这是一种遗传性疾病,其中不仅有一个基因受到影响。 “我们希望通过追踪更多受影响的基因,我们可能能够弄清楚如何解决更多的症状。”

肌强直性营养不良症包括难以放松肌肉(肌强直),并且与其他肌营养不良症一样,进行性肌肉虚弱和浪费。最常见的强直性肌营养不良症(1型)是由具有三个DNA结构单元重复序列的基因改变引起的。这个序列在正常基因中重复5到35次,但过量的重复序列(50到5000次)会导致疾病。当缺陷基因被转录成信使RNA分子时,扩增的重复片段使得RNA紧密地结合到某些蛋白质,在肌细胞内形成团块。

以前的研究表明,两种叫做Mbnl1和Mbnl2的蛋白质被重复的RNA结合,并在肌肉细胞核内形成一个聚集体,“Ares说。

通过将这些蛋白质以团块形式结合,异常的RNA阻止它们在细胞中执行它们的正常功能。 Mbnl1参与了一个叫做RNA剪接的过程,其中从基因复制的信使RNA被“编辑”,然后才能指导蛋白质的合成。

“当一个基因开启时,其DNA序列被复制到一个信使RNA分子中。但是,这个直接复制需要被处理,以形成一个功能性的信息,可以被翻译成蛋白质,“阿瑞斯说。 “像Mbnl1这样的拼接因素告诉拼接机器在何处进行切割和粘贴。如果没有Mbnl1,不正确的剪接会影响很多不同的基因。“

Ares率先使用微阵列技术来检测基因突变和其他干扰引起的RNA剪接变化。 UCSC研究生杜红庆,本文第一作者,哈尔滨医科大学医学博士毕业,渴望将这项技术应用于人类疾病。所以,阿瑞斯和杜先生与已经开发了这种疾病动物模型的骨骼肌营养不良的主要研究者合作。

查尔斯·桑顿在罗彻斯特大学医学院的实验室开发了一种小鼠品系,可以在肌肉细胞中表达大量的异常重复RNA。佛罗里达大学医学院的莫里斯·斯旺森(Maurice Swanson)的实验室开发了一种无法制造Mbnl1蛋白的小鼠品系。两种小鼠都表现出与强直性肌营养不良相似的症状。

战神的实验室使用与Affymetrix合作开发的拼接敏感微阵列,以显示来自这两个小鼠品系的肌肉细胞中的RNA剪接缺陷几乎相同。这表明绝大多数剪接问题是由于与异常重复RNA结合导致Mbn11蛋白的丢失。早些时候的研究已经将这种疾病与一些剪接缺陷联系起来,但微阵列揭示了对更多数量的基因的影响。

Ares说:“我们的微阵列方法检测到数百个正在受到影响的剪接事件,让我们能够更全面地了解细胞正在发生的变化。”

人类患者中一些新发现的剪接缺陷的检测 肌强直性营养不良证实在小鼠和人细胞中都发生相同的改变。 Ares说,在人类中进行更广泛的测试将使研究人员能够确定哪种RNA剪接变化可能对临床诊断或监测疾病有用。

研究人员还发现了另一组变化,只在小鼠品系中出现,使得异常重复RNA,而不是在缺乏Mbnl1的小鼠中。这些效应不是拼接错误,而是由测量由不同基因转录的信使RNA量的微阵列检测到的基因表达变化。 Ares表示:“我们怀疑Mbnl2的缺失是造成这些基因表达缺陷的原因。

许多与表达水平改变有关的基因参与了制造细胞外基质,这是一种蛋白质外壳,将肌肉细胞结合在一起,使肌肉组织在收缩时产生一种连贯的力量。 Ares博士说:“我们对这一发现感到兴奋,因为受影响的基因群体富含这些在细胞外操作以将组织保持在一起的结构成分,这也许可以解释疾病的某些方面。 “这一类基因中的一些基因与其他遗传性肌营养不良症和结缔组织疾病有牵连,揭示肌营养不良症的强直性肌营养不良症的意想不到的联系”

最近来自肌肉萎缩症协会的资助将使得阿瑞斯和他的合作者调查这些发现如何可能被用来帮助肌强直性营养不良患者。研究人员可能能够开发早期发现疾病的方法或预测疾病在个体患者中的进展情况。进一步的研究也可以产生用于开发和评估新疗法的疾病的分子标记。

“现在我们有一个令人困惑的拼接事件列表,以及基因表达缺陷,我们还有很多工作要弄清楚哪些关键事件可能被用作可靠的标记这种疾病,“阿瑞斯说。

除了战神,杜,斯旺森和桑顿,论文的合着者还包括美国加州圣克鲁斯分校的梅丽莎·克莱因,约翰·保罗·多诺霍,梅根·霍尔和莉莉·施瓦;罗彻斯特大学医学院罗伯特·奥斯本;佛罗里达大学医学院的Daniel Tuttle;和Affymetrix公司的Tyson Clark。这项研究得到了国家普通医学研究所,国家关节炎和肌肉骨骼和皮肤疾病研究所以及国家神经疾病和中风研究所的资助。