Cell | “长CAG”引发亨廷顿病神经元退化的机制

撰文 | 格格

亨廷顿病（HD） 是一种复杂的遗传性神经退行性疾病，其特征是中年时期基底神经节中的纹状体投射神经元（SPN） 发生退行性病变。HD的核心问题在于：在数十年无症状期后，导致HD的HTT基因中的CAG重复序列如何引发神经元退行性病变【1-2】。HD患者通常在遗传了异常长的CAG重复序列后数十年才会出现症状，这期间患者没有任何症状，被称为“无症状期”【3-4】。目前，研究者们提出了多种可能的发病机制，包括扩张的谷氨酰胺重复序列累积毒性、蛋白质聚集体的滞后发展、细胞类型特异性病理学、体细胞镶嵌现象和基因修饰等。然而，HD的确切发病机制尚不明确。

2025年1月17日，来自麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的Steven A. McCarroll研究团队和Sabina Berretta研究团队合作在Cell杂志发表题为Long somatic DNA-repeat expansion drives neurodegeneration in Huntington’s disease的研究论文，该研究通过单细胞测序测量了HTT CAG重复序列的长度，并分析其与全基因组RNA表达之间的关系，旨在揭示HD的发病机制。

研究人员首先使用传统的单细胞RNA测序 （snRNA-seq） 技术分析了来自50名HD患者和53名健康对照者纹状体前部的581,273个细胞核的RNA表达。根据所表达的RNA，将每个细胞核归为七个主要细胞类型之一。结果显示，随着HD的进展，SPN细胞核的数量明显减少，这表明SPN在HD的病理过程中逐渐丧失。研究人员使用CAG年龄产物（CAP） 评分来评估HD的进展，发现SPN的丧失与CAP评分呈正相关，即在HD晚期，SPN的丧失更为严重。研究人员还分析了SPN的亚型，并将其分为直接通路SPN（dSPN） 和间接通路SPN（iSPN） 。研究发现，iSPN比dSPN更早地表现出脆弱性，这可能是由于iSPN在抑制运动程序方面发挥作用，而dSPN在启动运动程序方面发挥作用。

研究人员开发了一种新的分子方法来测量HTT RNA转录本中的CAG重复序列长度，并同时分析相同细胞核的全基因组RNA表达。他们从6名HD患者的纹状体中深度采样了细胞核，并测量了大约10%的SPN和中间神经元以及更小的非神经元细胞类型的细胞核中的CAG重复序列长度。研究发现，与胶质细胞和中间神经元相比，SPN中HTT CAG重复序列发生了显著的体细胞扩张。在HD患者的所有6个个体中，SPN的CAG重复序列长度从40-45个扩展到100-500个甚至更多。SPN CAG重复序列长度的分布呈现独特的“刺猬”形状，大部分分布 （“身体”） 反映了几乎所有SPN的显著扩张，而少数SPN （“尾巴”） 则表现出更长的扩张 （100-500个CAG） 。这种扩张模式与先前的研究结果一致，但该研究首次揭示了长CAG重复序列扩展的存在和重要性。

为了确定细胞自身的CAG重复序列长度对其生物学的影响，研究人员分析了来自HD患者的SPN中自然出现的不同等位基因系列。这些系列包含了467-2337个SPN，其CAG重复序列长度范围在35-842个CAG之间。通过比较同一组织样本中不同CAG重复序列长度的SPN的基因表达谱，研究人员控制了每个捐赠者疾病状态的深远非细胞自主性影响。结果发现，从36个CAG扩展到150个CAG的CAG重复序列扩张并没有导致明显的细胞自主性影响。然而，CAG重复序列扩张超过150个CAG的SPN表现出数百个基因的表达变化。这表明，CAG重复序列的毒性效应仅在扩张到一定长度后才出现。

最后，研究人员分析了CAG重复序列长度对SPN中基因表达的影响。结果显示，在CAG重复序列长度超过150个时，SPN中数百个基因的表达水平开始发生变化。这些变化包括SPN身份特征的丧失、衰老和凋亡基因的激活以及SPN的死亡。研究人员将这种变化分为两个阶段：C阶段和D阶段。在C阶段，基因表达的变化是连续的，并随着CAG重复序列长度的增加而加剧；在D阶段，许多在SPN中通常受到抑制的基因开始解压，这些基因在胚胎发育期间表达，但在成年神经元中不表达。

图1 “长CAG”引发亨廷顿病神经元退化的机制

总之，该研究通过单细胞RNA测序技术，深入揭示了亨廷顿病中纹状体投射神经元的体细胞CAG重复序列扩张过程及其对神经元生物学功能的影响，为理解HD的发病机制提供了新的见解。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.038

制版人：十一

参考文献

1. The Huntington’s disease Collaborative Research Group (1993). A novel gene containing a trinucleotide repeat that is expanded and unstable on Huntington’s disease chromosomes.Cell72, 971-983.

2. Gusella, J.F., Lee, J.-M., and MacDonald, M.E. (2021). Huntington’s disease: nearly four decades of human molecular genetics.Hum. Mol. Genet.30, R254-R263.

3. Scahill, R.I., Zeun, P., Osborne-Crowley, K., Johnson, E.B., Gregory, S., Parker, C., Lowe, J., Nair, A., O’Callaghan, C., Langley, C., et al. (2020). Biological and clinical characteristics of gene carriers far from predicted onset in the Huntington’s disease Young Adult Study (HD-YAS): a crosssectional analysis.Lancet Neurol.19, 502-512.

4. Tabrizi, S.J., Schobel, S., Gantman, E.C., Mansbach, A., Borowsky, B., Konstantinova, P., Mestre, T.A., Panagoulias, J., Ross, C.A., Zauderer, M., et al. (2022). A biological classification of Huntington’s disease: the Integrated Staging System.Lancet Neurol.21, 632-644.

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