刘光慧研究组利用干细胞技术揭示帕金森病衰老相关机制

　　随着世界人口日趋老龄化，中国的老龄化问题更加突出。目前中国有1.7亿老龄人口，是世界上老年人口最多的国家，而且人口老龄化的趋势还在不断加剧。研究衰老相关疾病的机理以及寻找防治衰老相关疾病的新靶点和新方法对于中国的国情而言显得尤为紧迫。帕金森病(Parkinson’s Disease, PD)是一种在老龄群体中高发的中枢神经系统退行性疾病，其临床症状包括静止性震颤和姿势步态异常等，并可能引发心血管疾病和糖尿病等多种并发症，严重影响患者身心健康、家庭幸福以及社会和谐。

　　目前认为帕金森病是由于中枢黑质纹状体区多巴胺神经元功能衰退和数目减少，导致兴奋性神经递质多巴胺分泌不足所致。然而对于帕金森神经细胞退行性病变的原因和发病机理尚不明确，但衰老无疑是帕金森病的重要诱因之一。揭示帕金森病的分子机理，探索衰老因素在其发生发展中的作用，并寻找有效的分子靶标将极大地促进帕金森病的早期诊断、预防与发病后的干预治疗。

　　2012年10月17日，国际顶尖学术期刊《Nature》在线发表了中科院生物物理研究所刘光慧研究组同美国Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte研究组的合作研究论文“Progressive degeneration of human neural stem cells caused by pathogenic LRRK2”。该研究首次结合多能干细胞和基因组靶向修饰技术揭示了帕金森病神经干细胞随着衰老过程而发生的退行性病变。这一研究成果为诊断、预防与治疗帕金森病提供了新的潜在靶点。

　　研究人员首先向携带帕金森病致病基因LRRK2 (G2019S)突变的患者皮肤细胞中导入三个“多能性因子”，从而在体外获得疾病特异的诱导性多能干细胞（iPSC）。这些iPSC在实验室中进一步定向分化为目前无法从患者颅内直接获取的功能性神经干细胞及多巴胺神经元。通过对这些“患者来源的神经细胞”进行细致的研究，刘光慧研究员等发现LRRK2 (G2019S)突变的神经干细胞表现出一系列与“衰老”相关的退行性表型，如对细胞内泛素化蛋白聚集诱导的凋亡更加敏感，以及随着体外培养时间延长其克隆式生长及向神经元定向分化等“干性”特征逐渐消失等。有趣的是，随着体外传代次数的增加，携带基因突变的神经干细胞表现出明显的核膜异常，如核纤层蛋白组成和核膜结构的改变。为了验证这些新型病理特征与帕金森病致病基因LRRK2突变之间的分子联系，研究人员通过HDAdV介导的基因打靶技术原位矫正了患者干细胞中的LRRK2 (G2019S)突变。实验结果表明，矫正后的神经干细胞消除了帕金森病相关的疾病表型。相反，利用打靶技术在正常人胚胎干细胞中定向敲入LRRK2 (G2019S)突变（即体外人工创造出帕金森病胚胎干细胞）则导致疾病相关表型的出现。更为重要的是，通过对临床帕金森病人死后脑组织的海马区（人神经干细胞所在部位）进行分析，可见该区神经源性细胞存在广泛的核膜异常，这与帕金森病iPSC定向分化得到的神经干细胞模型观察结果相一致。最后，研究人员进一步发现LRRK2激酶特异性抑制剂可以在体外改善帕金森神经干细胞的异常表型。

　　这一工作首次揭示了核膜异常以及脑内神经干细胞渐进性功能衰退在帕金森病发生发展中的作用。不仅为帕金森病病人患有的认知功能衰退等中枢神经系统症状提供了一定的解释，并且提示了将来在临床上利用小分子抑制剂药物或靶向基因修复患者神经前体细胞治疗帕金森病的可能性。国际著名帕金森病研究专家Mark Cookson博士高度评价该研究，称之为“在帕金森病研究领域开辟了一个崭新的大方向”。该工作依托于中科院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室，同美国Salk研究所、Scripps研究所、UCSD和西班牙CMR[B]等国际机构合作完成。研究受到中国科学院干细胞与再生医学战略先导专项以及基金委等项目资助。

　　刘光慧研究员为本文的共同通讯与第一作者。2011年其研究团队曾最早利用iPSC模型阐述了儿童早衰症的分子机理（Nature 2011），并首次利用HDAdV介导的基因组靶向编辑技术矫正了患者iPSC的遗传缺陷，从而在实验室中“逆转”了衰老相关的血管病变（Cell Stem Cell 2011）。2012年，先后在《Nature Review Molecular Cell Biology》和《Current Opinion in Cell Biology》等杂志就核膜表观遗传调控和iPSC衰老相关疾病模型等议题发表特邀研究综述。此次对帕金森病神经干细胞核膜病理的揭示是对衰老相关疾病研究和治疗做出的又一贡献。

图1. 帕金森病人脑组织海马区的神经细胞呈现异常的核膜结构 (摘自Nature)。

　　全文链接：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature11557.html

（供稿：科技处）