腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心熊志奇組解析“瘋狂之石”---腦鈣化癥的分子與細(xì)胞機(jī)制
文章來(lái)源:腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時(shí)間:2024-07-17 | 【打印】 【關(guān)閉】
2024年7月16日,中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心熊志奇團(tuán)隊(duì)、福建醫(yī)科大學(xué)陳萬(wàn)金團(tuán)隊(duì)聯(lián)合臨港實(shí)驗(yàn)室程學(xué)文副研究員,在神經(jīng)科學(xué)期刊Neuron雜志上發(fā)表題為“Astrocytes modulate brain phosphate homeostasis via polarized distribution of phosphate uptake transporter PiT2 and exporter XPR1”的研究論文,揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控腦內(nèi)磷酸根離子穩(wěn)態(tài)和腦鈣化發(fā)生發(fā)展的分子與細(xì)胞機(jī)制。
西班牙馬德里的普拉多博物館(Museo del Prado),陳列著一幅由十五世紀(jì)荷蘭畫(huà)家希羅尼穆斯·博斯(Hieronymus Bosch)創(chuàng)作的《瘋狂之石的提取》(”The Extraction of the Stone of Madness”)。油畫(huà)描繪了一名醫(yī)生試圖從患者腦中取出一塊可能導(dǎo)致愚昧的“瘋狂的石頭”的場(chǎng)景(圖1左)。1930年,德國(guó)醫(yī)生Karl Theodor Fahr報(bào)道了在患有腦功能障礙的患者腦內(nèi),確實(shí)存在磷酸鈣沉積形式的“瘋狂的石頭”(圖1右)。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)腦鈣化是一種非常常見(jiàn)的神經(jīng)退行性病變,60歲以上老年人群的腦鈣化發(fā)生率高達(dá)20%。由于基因突變導(dǎo)致的原發(fā)性基底節(jié)腦鈣化,簡(jiǎn)稱(chēng)PFBC或者Fahr病,人群發(fā)病率近0.6%。腦鈣化癥的臨床表現(xiàn)復(fù)雜,包括運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知和精神障礙、癲癇以及頭痛等。目前沒(méi)有有效防治藥物。
熊志奇教授團(tuán)隊(duì)與陳萬(wàn)金教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期合作,致力于神經(jīng)疾病新致病基因的鑒定與功能研究。 2018年報(bào)道了腦鈣化的首個(gè)隱性遺傳突變致病基因MYORG,有別于其它腦鈣化的致病基因,MYORG特異性表達(dá)在星形膠質(zhì)細(xì)胞。星形膠質(zhì)細(xì)胞參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)離子穩(wěn)態(tài)與能量代謝的調(diào)控以及血腦屏障維持等重要功能。在人體血液中,無(wú)機(jī)磷酸根離子維持在0.8到1.5 mM之間,而在腦脊液中濃度僅為0.35到0.5 mM。另外,大腦消耗了人體20%的能量,神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程的能量代謝可導(dǎo)致的局部無(wú)機(jī)磷酸根離子濃度升高,可能導(dǎo)致神經(jīng)毒性和磷酸鈣沉積。從腦鈣化的致病基因MYORG的細(xì)胞特異性表達(dá)現(xiàn)象,研究人員解析了星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控腦內(nèi)磷酸根離子穩(wěn)態(tài)以及腦鈣化發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制。
結(jié)合多種標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)磷轉(zhuǎn)運(yùn)體基因Pit2和Xpr1在星形膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá),而神經(jīng)元?jiǎng)t主要表達(dá)Pit1和Xpr1。星形膠質(zhì)細(xì)胞圍繞突觸間隙的突起小葉(leaflet)中高表達(dá)磷轉(zhuǎn)入蛋白PiT2,而包裹血管的終足(end-feet)結(jié)構(gòu)則富集分布磷轉(zhuǎn)出蛋白XPR1,這種極化的分布模式賦予了星膠細(xì)胞特殊的磷轉(zhuǎn)運(yùn)潛能(圖2a, 2b)。星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性敲除編碼磷酸根離子攝入型轉(zhuǎn)運(yùn)體的Pit2基因,或者編碼磷酸根轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)運(yùn)體的Xpr1基因,均可導(dǎo)致腦脊液中的磷酸根濃度顯著上升,而其它類(lèi)型神經(jīng)細(xì)胞中的敲除對(duì)腦脊液中磷酸根濃度影響較小,證明星形膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)PiT2和XPR1在維持腦內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)中起主導(dǎo)作用。通過(guò)建立基于32P同位素標(biāo)記的體系,發(fā)現(xiàn)星形膠質(zhì)細(xì)胞的磷酸根離子轉(zhuǎn)運(yùn)能力是神經(jīng)元的2.5倍。在星形膠質(zhì)細(xì)胞敲除Pit2基因導(dǎo)致其磷攝取能力下降70%;腦鈣化隱形遺傳致病基因產(chǎn)物—MYORG,促進(jìn)星形膠質(zhì)的PiT2的細(xì)胞膜表達(dá)且增強(qiáng)其磷酸根轉(zhuǎn)運(yùn)能力。最后,采用可穿透血腦屏障的AAV遞送體系,在Pit2基因全身敲除的動(dòng)物模型上特異性地在星形膠質(zhì)細(xì)胞中回補(bǔ)PiT2表達(dá),發(fā)現(xiàn)Pit2全敲小鼠的腦脊液磷酸根離子水平明顯降低,腦內(nèi)的鈣化沉積也得到顯著改善(圖2c),有望為腦鈣化患者提供一種基于病因修復(fù)的新型基因療法。
磷是生命重要的元素,人體的血液中磷酸根離子水平的異常可引發(fā)嚴(yán)重疾病。血磷水平的升高導(dǎo)致血管和心臟瓣膜鈣化可造成心血管功能障礙并危及生命。有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)動(dòng)物血液中磷酸根離子濃度的高低與不同物種的平均壽命呈線性負(fù)相關(guān)。本研究揭示了星形膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控腦內(nèi)磷酸根離子穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制 (圖3),同時(shí)發(fā)現(xiàn)腦鈣化的發(fā)生與星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的直接而重要的病理機(jī)制關(guān)系。此項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)家與臨床專(zhuān)家的合作研究成果為理解衰老和神經(jīng)退行性病變的代謝機(jī)制、新型研發(fā)措施干預(yù)開(kāi)啟了新的方向。
該文章的共同第一作者為臨港實(shí)驗(yàn)室程學(xué)文博士、福建醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院趙淼博士、臨港實(shí)驗(yàn)室陳蕾博士、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心黃晨偉。熊志奇研究員、陳萬(wàn)金教授、程學(xué)文副研究員為共同通迅作者。中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心蒲慕明研究員、竺淑佳研究員、劉靜宇研究員和周嘉偉研究員,北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心戈鵡平研究員,上海交通大學(xué)精神衛(wèi)生中心朱永川教授為該研究提供了大力支持和指導(dǎo)。相關(guān)研究組的同學(xué)與同事,單位平臺(tái)與工作人員提供了重要支持。本項(xiàng)目受到國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市、臨港實(shí)驗(yàn)室和福建省科委的經(jīng)費(fèi)資助。