冰桶挑战已多年，研究进展怎样？Nature，NEJM 报道神经退行性疾病出路竟在免疫

2020-09-09

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渐冻人症和冰桶挑战

冰桶挑战 #Ice Bucket Challenge 曾在极短的时间内，火遍全球，使得四面八方英豪尽成落汤鸡。也让很多人第一次知道了肌萎缩性脊髓侧索硬化症 ALS。

近日纽约时报的一篇文章再次把 ALS 领域振奋人心的学术进展和 ALS 背后的故事带到了公众面前。笔者选取近期 Nature 最新研究为大家带来深度解读，揭开靶向炎症免疫途径在治疗神经退行性疾病中的潜在价值。

图源：www.nytimes.com

肌萎缩性脊髓侧索硬化症 (amyotrophic lateral sclerosis, ALS) 和额颞叶痴呆 (frontotemporal dementia, FTD) 两种神经退行性疾病最常见的遗传原因是名为 C9orf72 的基因突变。其非编码区的六核苷酸（Hexanucleotide，GGGGCC）出现重复扩增被认为是 ALS 和 FTD 的共同遗传学基础。

ALS 患者脑脊液和血清中抗神经元抗体的存在提示其发病机制可能与自身免疫有关。近日，美国席德西奈医疗中心的 Robert H. Baloh 团队首次证实了 C9orf72 参与调节免疫功能，阐述了 C9orf72 突变 ALS 和 FTD 患者易出现自身免疫性疾病的原因。该工作以 C9orf72 in myeloid cells suppresses STING-induced inflammation 为题，于 2020 年 8 月 19 日在 Nature 杂志在线发表。

图片来源: Nature

研究内容：

C9orf72 与炎症表型

C9orf72^-/- 小鼠可出现淋巴器官增生和年龄相关的全身性系统性炎症。在机体免疫系统中，C9orf72 在骨髓细胞特别是树突状细胞（dendritic cell，DC）中表达最高。DC 属于免疫系统的抗原呈递细胞，调节适应性免疫应答，在自身免疫和癌症免疫中发挥重要作用。

图片来源: Nature

为评估 C9orf72 缺失对 DCs 的影响，Robert H. Baloh 团队分析了不同周龄的 C9orf72^-/- 小鼠脾脏 DCs 的活化状态及记忆 T 细胞和效应 T 细胞数量，发现 随年龄的增加，CD11b+ DCs 协同刺激分子 CD86 表达增加，C9orf72^-/- 小鼠记忆 T 细胞和效应 T 细胞数量增加。

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8 周 C9orf72-/- 小鼠记忆 T 细胞和效应 T 细胞数量增加，且随着周龄增长增加更为明显

Robert H. Baloh 等人推测，DCs 和 T 细胞等免疫细胞亚群表型改变可能由 C9orf72 功能缺失引起的。RNA-Seq 结果表明，C9orf72-/- DCs 多种炎症细胞因子表达增加，包括白介素 (IL)-6，IL-10 和 IL-12 等。与对照组相比，C9orf72 基因突变细胞中编码 I 型干扰素蛋白和干扰素刺激基因 mRNA 显著增加。热图聚类分析同样表明干扰素等炎症相关基因在 C9orf72-/- DCs 中表达上调，提示 C9orf72-/- 可能和 DCs 免疫炎症因子异常活化存在关联。

图片来源: Nature

干扰素等炎症相关基因在 C9orf72-/- DCs 中表达上调

来自 STING 的驱动

为了进一步探讨干扰素等炎症相关基因活化的潜在驱动因素，Robert H. Baloh 团队从野生型和 c9orf72 突变小鼠的骨髓中分离培养骨髓源性巨噬细胞 BMDMs，并使用 Toll 样受体 (TLRs)、cGAMP 等进行刺激。其中 cGAMP 在突变细胞中诱导了 I 型干扰素反应。

cGAMP 是 cGAS-STING 信号通路的激活剂，感知细胞质中双链 DNA，是免疫系统抵御病毒感染的第一道防线的一部分，提示 STING 可能参与了 c9orf72 影响免疫稳态的分子机制。

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cGAMP 干预的野生型和 C9orf72-/-BMDMs 炎症因子表型

C9orf72 参与核内体运输、调节自噬和溶酶体功能。考虑到 STING 通过自噬降解，而调节这一过程是 C9orf72 的主要功能之一，故可推测突变 C9orf72 细胞中 STING 降解可能发生异常。与野生型相比，突变 C9orf72 骨髓细胞中 STING 的降解延迟。

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C9orf72 突变调节免疫示意图

C9orf72 突变或表达水平降低可延迟 STING 降解，导致 STING 活性增强。

STING 促进编码 I 型干扰素 - 蛋白的基因表达，激活参与免疫反应的干扰素刺激基因

基于上述研究结果，降低 STING 活性可能成为 C9orf72 缺陷或功能障碍导致疾病的治疗策略和治疗靶点。Robert H. Baloh 团队通过药物或诱变编码 STING 基因，抑制了小鼠和 C9orf72 缺失细胞的 STING 活性，恢复了突变小鼠正常的 I 型干扰素反应和脾脏大小。

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ALS 患者的佐证

随后，作者进一步比较了正常对照、散发型 ALS 患者和 C9-ALS 患者血液单核细胞来源巨噬细胞 (MDMs) 的炎症信号通路。结果表明，与散发性相比，C9-ALS 患者 MDMs 中与 IFN、血清素信号传导相关的通路显著上调，验证了 C9orf72−/−小鼠免疫细胞病理表型。

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为进一步验证上述实验结果，对患者外周血单核细胞 (PBMCs) 或 MDMs 给予 STING 抑制剂干预，可抑制 C9-ALS 患者 PBMCs 中 ISG 表达。

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STING 抑制剂干预，可抑制 C9-ALS 患者 PBMCs 中 ISG 表达

对含有 C9orf72 突变的 ALS 患者外周血髓细胞进行 RNA 测序时，发现 I 型干扰素信号通路异常活化。

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C9orf72 突变 ALS 患者外周血髓细胞中 I 型干扰素信号增强

这些来自临床患者的结果进一步有力地支持了 C9-ALS/FTD 患者由 STING 激活驱动 I 型干扰素信号通路过度活化的基因决定免疫表型的观点。也解释了与普通人群相比，C9orf72 突变在 ALS 患者和自身免疫性疾病患者中的存在现象。

图片来源: Nature

C9orf72-/- 小鼠更易患实验性自身免疫性脑炎（EAE）

本研究价值在于为我们提供了一种可能性，即 STING 小分子抑制剂可能抑制剂可降低 ALS/FTD 患者自身免疫的风险。同期斯坦福大学医学院的 Aaron D. Gitler 发表评论，认为 C9orf72 蛋白新证实的免疫功能具有非同寻常的重要疾病治疗价值。

图片来源: Nature

延伸阅读

近期相关研究成果汇总：

图片来源: Nature

2020 年 5 月 17 日，哈佛大学 Kevin Eggan 团队在 Nature 上发表了题为 C9orf72 suppresses systemic and neural inflammation induced by gut bacteria 的文章， 证实了肠道菌群可能导致 ALS 小鼠模型中炎症和自身免疫增加，涉及的基因正是 C9orf72。

图片来源: Nature

2020 年 8 月 26 日，加州大学伯克利分校的 James H Hurley 团队在 Nature 上发表了题为 Structure of the C9orf72 ARF GAP complex that is haploinsufficient in ALS and FTD 的研究成果，James H Hurley 团队 借助冷冻电子显微镜成功解析了 C9orf72-SMCR8-WDR41 复合物的结构。

图片来源：www.nejm.org

在《新英格兰医学杂志》NEJM上发表的题为 Trial of Sodium Phenylbutyrate-Taurursodiol for Amyotrophic Lateral Sclerosis 研究成果， 公布了 CENTAUR 2 期临床试验结果。这项结果表明，AMX0035 疗法可显著延缓 ALS 患者的疾病进展。

AMX0035 是一种联合疗法，苯丁酸（Phenylbutyrate，PB）和牛磺熊去氧胆酸（Tauroursodeoxycholic Acid，TUDCA）的固定组合，通过阻滞源于线粒体和内质网（ER）的关键细胞死亡通路来减少神经元死亡和炎症。