发现基因突变恢复小鼠的翻译平衡

马萨诸塞大学医学院(UMMS)的科学家们在一种常见的人类神经系统疾病小鼠模型中发现，敲除一个对神经元信使RNA (mRNA)翻译很重要的基因，可以恢复记忆缺陷，减少行为症状，这一生物学上的奇特现象有望为研究人员提供一种研究和潜在治疗脆性X综合征的新方法。这些研究结果今天发表在自然医学这项研究表明，脆性X染色体综合征的主要原因可能是翻译失衡，导致大脑中蛋白质产量升高。恢复这种平衡对于正常的神经功能可能是必要的。

“生物学以奇怪的方式工作，”乔尔·里希特博士说，他是UMMS的分子医学教授，也是这项研究的资深作者。“我们用另一种基因突变来纠正一种基因突变，这实际上表明了两错得正。每个基因的突变都会导致大脑功能受损，但在我们的研究中，我们发现两个基因的突变都会导致正常的大脑功能。这听起来违反直觉，但在这种情况下，事情似乎就是这样发生的。”

脆性X综合征是遗传性智力迟钝的最常见形式，也是自闭症最常见的单基因原因，是一种由脆性X (Fmr1)基因DNA序列中CGG重复扩增引起的遗传病，这是正常神经发育所必需的。患有脆性X染色体的人患有智力障碍以及行为和学习方面的挑战。根据CGG重复的长度，智力残疾可以从轻微到严重。

虽然科学家们已经确定了导致脆性X染色体的基因突变，但在分子水平上，他们仍然不太清楚这种疾病是如何起作用的，也不知道大脑中到底是什么出了问题。我们所知道的是Fmr1基因编码脆性X染色体蛋白质(FMRP)。这种蛋白质在整个神经元中可能有多种功能，但其主要活动是抑制多达1000种不同mrna的翻译。通过这样做，FMRP控制突触可塑性和更高的功能大脑功能。例如，没有脆性X基因的小鼠，其神经蛋白产量总体上提高了15%到20%。人们认为，无法抑制mRNA翻译和由此导致的神经蛋白增加可能在某种程度上阻碍了脆性X患者正常的突触功能。但由于FMRP结合了如此多的mRNA，并且一些蛋白质比其他蛋白质变得更高，分析哪些mRNA或mRNA组合导致脆性X病理是一项艰巨的任务。

从青蛙蛋到脆弱的X

多年来，里希特博士一直在研究翻译(细胞核糖体产生蛋白质的过程)是如何在青蛙卵中从休眠状态变为活跃状态的。他发现了控制这一过程的关键基因，RNA结合蛋白CPEB。1998年，里希特在啮齿动物的大脑中发现了CPEB蛋白，它在调节突触如何相互交流方面起着重要作用。在这一点上，他的工作开始从探索CPEB在青蛙发育生物学中的作用转移到CPEB蛋白如何影响学习和记忆。在冷泉港与同事的一次偶然研究研讨会上，他开始思考CPEB和脆性X综合征。

里希特说:“我是一个局外人，一个研究青蛙卵多年的分子生物学家，当他们开始谈论脆性X染色体综合征和转译活性时，我与神经生物学家和神经学家在同一个房间里。”“这让我想到，CPEB蛋白可能是恢复他们正在讨论的翻译失衡的一条途径。”

Richter知道CPEB刺激翻译，而FMRP抑制翻译。他还知道，缺乏CPEB蛋白的动物模型存在记忆缺陷，而且这两种蛋白与许多相同的mrna结合——重叠可能高达33%。他们的想法是，通过去除一种刺激翻译的蛋白质，可能会抵消FMRP抑制蛋白的损失，从而恢复大脑中的翻译稳态和正常的神经功能。

“这是一种愚蠢的‘如果’之类的事情，”里希特说。

为了验证他的假设，Richter开发了一种双敲除小鼠模型，该模型既缺乏导致脆性X的FMRP基因，也缺乏CPEB基因。当他们开始测量脆性X染色体病理时，他们发现的结果几乎好得令人难以置信。

Richter说:“我们测量了许多因素，包括生化、形态、电生理和行为表型。”“我们不断发现同样的事情。通过敲除FMRP和CPEB基因我们能够将蛋白质合成水平恢复到正常水平，并纠正了脆性X小鼠的疾病特征，使它们与野生型小鼠几乎无法区分。”

最重要的是，评估双基因敲除小鼠短期记忆的测试也显示出正常的结果，没有脆性X染色体病理的迹象。这提示了一项实验，以测试CPEB是否可能成为脆性X的潜在治疗靶点，使患者受益。Richter和他的同事们给成年的脆性X小鼠注射了一种表达小RNA的慢病毒，以破坏海马体中的CPEB，海马体是大脑中对短期记忆很重要的区域。随后的测试显示，这些小鼠的短期记忆得到了改善，这表明，至少脆性X综合征的这一特征——通常被认为是一种发育障碍——可以在成年人身上逆转。

“患有脆性X染色体的人产生了太多的蛋白质，”里希特说。“通过使用CPEB重新校准制造蛋白质的细胞机制，我们已经证明，抑制这一过程对患有脆性x染色体的小鼠模型产生了深远的良好影响。也许类似的方法对患有这种疾病的儿童有益。”

Richter及其同事的下一步是确定CPEB和FMRP结合的300多种mrna中，哪些会导致脆性X综合征，以及如何导致脆性X综合征。他们还将开始研究小分子和其他途径，比如CPEB蛋白的消融，可能会减缓蛋白质的合成。“我们知道有几个小分子会影响转译装置，”Richter说。“有些穿过血脑屏障，有些有毒，有些没有。我们想调查一下。”

“这是基础科学如何转化为人类疾病的另一个很好的例子，”Richter说。“如果我们从人类开始研究大脑如果不知道CPEB蛋白及其在翻译活动中的作用，我们就不知道从哪里开始，也不知道该找什么。但因为我们是从青蛙开始的，在那里事情更容易看到，而且因为这些过程往往是保守的，我们已经学到了一些新的，完全出乎意料的东西，可能对人类疾病产生深远的影响。”

---

---