核苷酸重复序列的不稳定扩增是一类遗传性神经系统疾病发病的基础。其中，多聚谷氨酰胺（polyglutamine，polyQ）病是由于编码谷氨酰胺的CAG三核苷酸序列不稳定重复扩增导致的一系列神经退行性疾病，比较熟知的有亨廷顿舞蹈症（Huntington’sdisease，HD）和I型脊髓小脑共济失调（Spinocerebellarataxiatype1，SCA1）。
HD与SCA1均为常染色体显性遗传的神经退行性疾病，并且两类患者均在中晚期发病，存在运动障碍并伴随认知下降，但是这两种疾病在具体的临床特征以及神经病理特征很不相同。此外，在HD与SCA1发病过程各自受影响的蛋白Huntingtin（HTT）以及Ataxin1（ATXN1）在体内也具有独特的生物学功能。
近日，美国明尼苏达大学的HarryT.Orr教授与美国加州大学尔湾分校的LeslieM.Thompson教授共同在Neuron上发表了题为“HDandSCA1:Talesfromtwo30-yearjourneyssincegenediscovery”的综述性文章，详细介绍了HD与SCA1在分子机制层面上的相同与差异之处，总结了自1993年首次鉴定出HD与SCA1的致病基因以及其发病与CAG核苷酸序列的异常扩增有关之后30年间的相关重要发现。
总的来说，HD与SCA1具有一些相似的特征，如CAG重复序列的长度均与疾病的发病时间相关（一般来说，重复序列越长，发病时间越早）、均存在特异性神经元的退化死亡以及均具有体细胞CAG重复序列不稳定的表型。但是，polyQ蛋白所处的环境在很大程度上影响了疾病的发病机制。
突变ATXN1蛋白（mutantAtaxin1，mATXN1）所处环境对SCA1的发病至关重要，mATXN1蛋白进入受影响细胞的细胞核对于启动导致细胞功能障碍和最终退化的致病途径十分关键；而突变HTT蛋白（mutantHuntingtin，mHTT）对HD发病的影响则更为复杂，核定位和胞质定位的mHTT似乎都对HD的发病过程有影响，并且正常HTT蛋白功能的丧失也被认为与其发病有关。
在临床表现上，HD和SCA1通常在35-50岁之间发病，疾病进程较缓慢。SCA1患者最常见的初始行为学表型为宽基步态（broad-basedgait），步长可变和转弯不稳定，逐步发展为肢体不协调、语言障碍和眼球运动异常，患者通常最终死于呼吸衰竭。而HD患者最初的症状包括舞蹈样运动（choreiformmovements），并伴有认知功能（尤其是执行功能）的丧失，以及精神损害，最常见的是抑郁、精神病和强迫症。舞蹈样步态虽然与共济失调步态相似，但其包括不规则、突然的运动，通常会变得猛烈并伴有弹跳，即以自发不自主运动、肌肉无力和四肢近端运动不协调为特征。
在遗传特征上，CAG重复序列的长度均与HD和SCA1发病的年龄相关。Htt基因超过39个CAG重复会导致HD的发病，超过55个重复会引起青少年HD的发生。CAG重复在27~35之间的个体通常个体不会罹患HD，但可能有更大的机会产生具有致病CAG重复范围的后代，特别是通过父系遗传。除CAG重复序列长度影响HD的发病年龄之外，GWAS结果证明，遗传修饰基因，尤其是参与DNA损伤修复的通路，亦显著影响疾病的发病年龄。
有研究发现，纯CAG重复序列DNA的3‘末端，由一个或多个CAA引起的CAG重复中断是一个主要的修饰因子，这种中断会延迟疾病的发生。在SCA1中，CAG重复序列长度与发病年龄的关系总体上与HD相似，然而，ATXN1的CAG重复序列常被编码组氨酸的CAT所中断。因此，未受影响和受影响的ATXN1等位基因可分为两类：无CAT中断的和有CAT中断的。未受影响的等位基因CAG重复次数范围为19~44次；受影响的等位基因一般具有38~82次CAG重复，多达10%的受影响等位基因有CAT中断。值得注意的是，ATXN1蛋白polyQ链中组氨酸中断的存在减少了受影响细胞中包涵体的形成。
在神经病理学方面，SCA1主要的病理表现通常包括明显的小脑（浦肯野核和齿状核神经元）和脑干变性（脑桥和下橄榄核），并伴有神经系统前侧（如基底节区）和后侧（如脊髓）区域不同程度的损伤。上述部位的病理表现可以解释SCA1患者的共济失调特征，但同样重要的是该系统之外的辅助性神经元变性，特别是与眼球运动和吞咽相关的颅神经核的退化，因为吞咽困难是造成患者死亡的可能原因之一。而HD患者脑整体的体积减少，伴有纹状体区域中型棘神经元（Mediumspinyneurons，MSNs）的特异性死亡，主要影响纹状体间接通路表达D2受体的神经元。HD患者大脑尸检结果显示，纹状体体积显著减少，尾状核的形状改变，脑室扩大，这反映出MSNs、树突和有髓鞘轴突投射的缺失。尽管尾状核和壳核是HD患者大脑中受影响最明显的区域，但对其他脑区的研究发现具有小脑萎缩和扩散的患者，与HD早期运动功能和精神症状的损伤有关。
虽然HD和SCA1通常被认为是迟发性神经退行性疾病，但突变的蛋白的表达自整个生命周期的第一天开始。事实上，从进化的角度来看，有证据表明人类大脑中更长的CAG重复是必要的，但当扩展到超过疾病阈值时，就会导致神经元功能障碍和疾病的发生。Htt基因中CAG中等长度重复序列不会导致疾病，但在可能扩大到致病范围的重复区间内，实际上可能带来一些认知和长寿方面的优势。
发育的改变可能在HD和SCA1的发病机制中起关键作用。HTT对发育过程至关重要。有研究发现，小鼠HTT同源基因Hdh的缺失会导致胚胎死亡。此外，之后陆续有研究证明HTT对神经元发生，兴奋性突触以及皮质纹状体环路发育是必需的。与HTT相反，Atxn1缺失对小鼠的存活和繁殖没有影响，但学习能力存在缺陷。
利用SCA1和HD条件性敲除小鼠模型的研究发现，在关键发育阶段的早期，仅具有polyQ重复的HTT和ATXN1的表达就足以在成年小鼠中产生后期疾病样症状。mHTT蛋白会影响神经祖细胞的分裂过程，使大脑皮层变薄。大量RNA-seq的结果表明多种类型细胞类型的成熟过程受损，包括纹状体神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。
影像学研究表明，早在疾病症状出现之前，HD突变携带者早在7岁时颅内容量就较小。一项利用BACHD小鼠模型的研究发现，在出生后21天停止mHTT的表达并不能阻止HD表型的发展，这表明mHTT在发育早期就会产生影响。一项回顾性神经病理研究显示，HD大脑发育畸形率显著增加。携带HD突变的胎儿神经祖细胞出现缺陷。综上，HD突变既可导致神经发育过程的异常，也可导致日后神经元的退化死亡过程。
ATXN1和HTT蛋白广泛表达于全身各细胞。ATXN1具有816个氨基酸（100kDa），HTT具有3144个氨基酸（350kDa），图1显示了HTT和ATXN1蛋白所包含的结构域。
HTT的一个显著特征是具有若干HEAT重复序列（HTT,Elongationfactor3，proteinphosphatase2A，以及TOR1），这些重复序列由约38个氨基酸序列组成，通常以串联排列的形式出现，分布于整个HTT蛋白区域。HEAT重复序列形成的蛋白二级结构对蛋白-蛋白之间的相互作用十分重要。利用细胞、酵母、小鼠等不同模型，目前已经鉴定出超过4700种蛋白可以与HTT相互作用，这也决定了HTT蛋白会参与多种细胞过程，包括运输、转录、线粒体功能、自噬等，HTT是这些功能正常发挥的关键细胞支架。
通常HTTmRNA穿梭于细胞核和细胞质之间，在神经元细胞中有50%的mRNA定位于细胞核。而HTT蛋白主要定位在胞质，因为其氨基末端具有一个强胞质保留序列（nuclearexportsignal，NES）。在BACHD小鼠中敲除NES序列后，mHTT会在细胞核内累积，包括可见蛋白聚集体在内的各种表型更严重。
在疾病状态下，mHTT的核聚集增加，一个可能的解释为核定位后发生的聚集掩盖了NES序列的功能。另外，HTT蛋白的前17氨基酸组成的序列似乎还参与了与细胞器和膜的相互作用，参与了线粒体蛋白的输入，而这一过程在HD中受损。简言之，HTT的独特大小以及其与细胞蛋白和细胞器的广泛相互作用为CAG重复序列存在时整个脑细胞的广泛失调提供了基础。
就ATXN1蛋白而言，其C端具有一个核定位序列（nuclearlocalizationsignal，NLS），将其定位在细胞核区域，而ATXN1的核定位与否对疾病发病至关重要。具有野生型polyQ序列的ATXN1蛋白可在核内与胞质间转运；具有病理重复polyQ序列的ATXN1蛋白可被转运到核内，但不能被运出细胞核。
值得注意的是，当具有病理重复突变polyQ序列的ATXN1蛋白的NLS区域存在一个单核苷酸突变（K772T）时，可阻止ATXN1进入浦肯野细胞细胞核，从而使得突变ATXN1蛋白不再具有致病性。在具有K772T突变的小鼠模型中发现，突变ATXN1的核定位会导致许多疾病样表型，包括运动功能障碍、认知缺陷和过早死亡。野生和突变型的ATXN1蛋白亦可以与多种核内组分存在相互作用，包括RNA、转录调控因子（SMRT、Cic）等。
针对突变蛋白形成的包涵体对疾病的影响，利用Atxn1敲入SCA1小鼠模型的研究表明，突变ATXN1蛋白包涵体不具有致病性，甚至可能对神经元起到保护作用。在该小鼠模型中，最后形成包涵体的神经元，如小脑浦肯野细胞，是最先出现病理表现的神经元。相应地，疾病早期最先形成包涵体的脑区，如大脑皮质和海马，是最后出现病理表现的区域。上述研究证明，可溶mATXN1蛋白最多的神经元最容易出现退化死亡。
对HD而言，mHTT蛋白聚集体的存在是HD重要的标志。在HD小鼠模型中，甚至可以通过光学显微镜观察到多种形式的聚集体，这些聚集体不一定是包涵体。研究发现，弥漫性mHTT的数量和不可见包涵体的形成可预测神经元死亡。突变HTT聚集体从寡聚体到原纤维的过程可导致神经元内整体蛋白质稳态崩溃。因此，蛋白聚集体在疾病中的作用是非常复杂的。
图1.HTT和ATXN1蛋白各结构与及翻译后修饰位点示意图
有研究指出，一些翻译后修饰会影响突变蛋白的毒性。突变ATXN1蛋白S776位点（图1）的磷酸化在浦肯野细胞的退化死亡过程中发挥着关键作用。S776位点磷酸化的一个重要生化结果是它降低了ATXN1蛋白水解清除过程，也激活了与伴侣蛋白14-3-3的结合。与14-3-3分子伴侣复合后，ATXN1蛋白S776不能被去磷酸化，从而增加了其在细胞中的稳定性。
通过质谱筛选和靶向方法，确定了HTT蛋白的磷酸化位点。其中，S421位点传统上认为它具有神经保护作用；N17结构域内T3、S13或S16位点单独和联合的磷酸化对mHTT的聚集、亚细胞定位和毒性起到调节作用。此外由CDK5激酶参与的S434，1181和1201位点的磷酸化也非常重要。HTT蛋白的K444位点乙酰化和C214位点棕榈酰化与mHTT的代谢和发病机制有关。
蛋白SUMO化（smallubiquitin-likemodifier，SUMO）修饰同样是HTT和ATXN1均具有的一种翻译后修饰，但其对两种疾病发病机制的作用可能是复杂且不同的。SUMO化修饰与蛋白质的稳态和清除、蛋白质相互作用以及蛋白质在细胞核内活性的调节有关。目前鉴定出ATXN1蛋白的SUMO化修饰位点有：Lys16、Lys194、Lys610、Lys697和Lys746（图1）。
ATXN1蛋白的SUMO化修饰随着polyQ重复的增加和S776位点的磷酸化而减少。同样的，HTT蛋白内磷酸化和SUMO化之间会相互影响，如S13位点的磷酸化可以调节HTT的SUMO化修饰和HTT的清除过程。两个关键的酶参与HTT蛋白的SUMO化修饰——RHES和PIAS1。降低RHES和PIAS1的活性可以改善不同HD模型中的疾病表型。
针对HTT和ATXN1翻译后修饰的研究，随着不同修饰的相互作用的增加而十分复杂，但他们可以为疾病的发病机制和替代治疗策略提供指导。对于HD来说，翻译后修饰的影响广泛，跨越多个细胞过程，并且不同发病阶段中翻译后修饰亦可能发挥着不同的功能；而对于SCA1，磷酸化和SUMO化修饰似乎与ATXN1的核内定位有最重要的关系。
各种转录组学和表观遗传学方法已被用来在分子和组织特异性水平上更好地了解HD和SCA1致病性改变。研究结果表明在HD和SCA1小鼠各种受影响的大脑区域和细胞类型中均发现了明显的转录变化。HD的标志之一是大脑尤其是纹状体中早期的转录失调，大部分主要表现为下调。在不同HD小鼠模型中，有266个基因成为纹状体基因表达改变的“signature”。
最近一项利用HD小鼠和患者的MSNs细胞进行的RNA-seq结果显示，纹状体内直接通路与间接通路、纹状体细胞与基质细胞在HD发病过程中出现差异性改变，且彼此之间互相影响，即HD早期，间接通路中表达D2受体的MSN细胞首先受到影响，引起运动过多的表型，随着疾病的发展，其他的细胞类型也被影响，包括直接通路中表达D1受体的神经元，从而过渡到后期运动迟缓的表型。
在SCA1小鼠中，对SCA1患者大脑中两个最脆弱和最早受影响的区域（小脑和下橄榄核）的转录变化的分析表明，每个受影响的区域都有一组该区域特有的基因表达变化。SCA1小鼠小脑中编码离子通道和神经递质受体的基因表达发生改变，下橄榄核的特征是与防御反应/免疫相关基因表达的改变。
HD和SCA1的分子遗传学中一个有趣的方面是体细胞重复不稳定性及其在疾病发生和进展中的作用（图2）。针对HD病人的GWAS分析和HD小鼠分子水平的研究结果显示，DNA错配修复基因改变了HD发病的速率，也控制了CAG体细胞扩增的速率，如MSH3、FAN1等基因促进了重复的不稳定性，降低了发病年龄且保护了基因中的单核苷酸多态性。
通常来说，相较于外周组织，大脑中具有更高程度的重复不稳定性。近期一项研究表明，在人脑组织中，mHTT的CAG扩增发生在纹状体的MSN和胆碱能中间神经元以及小脑的浦肯野细胞中，这也更加印证了MSN细胞在HD中的脆弱敏感性。目前靶向纹状体HTT-CAG重复不稳定性的临床前治疗方法包括化学小分子（如NA）和CRISPR-Cas9技术。
而在SCA1敲入小鼠和SCA1患者的纹状体和小脑中，ATXN1中CAG扩增的体细胞重复不稳定性模式与在HD中观察到的相似，即在纹状体中有较高水平的体细胞重复不稳定性，但小脑中水平较低。一个可能的解释为：与浦肯野细胞相比，纹状体细胞对ATXN1中polyQ重复长度的敏感性较低，因此纹状体细胞需要ATXN1的扩增来启动纹状体发病机制。
图2.纹状体体细胞重复不稳定性对HD和SCA1疾病表现和进展的影响。疾病进程中主要受影响的脑区用灰色表示，发病后期可能受影响的位点用白色问号表示。
自1993年首次鉴定出HD与SCA1的致病基因以来，30年间通过各种研究方法，关于这两种疾病分子遗传层面的理解取得了相当重要的进展。上述从基因层面到细胞组织层面，详细总结了两种典型polyQ疾病的相同与差异之处。概括的说，HD与SCA1中受疾病影响的蛋白/基因对细胞功能的正常作用对理解疾病的发病机制十分关键。
在疾病进展的过程中，除主要受影响的脑区/神经元之外，其他脑区也会逐渐受影响，并导致某些疾病表型的出现。HD的一个有趣的方面是小脑和纹状体之间相互依赖的功能关系，其中一个区域的功能障碍会由另一个区域的功能代偿。在HD典型表型出现之前，小脑可以代偿纹状体间接通路的功能障碍。
功能MRI显示携带致病CAG重复的儿童与正常儿童相比，小脑与纹状体之间的连接增加。这种连接的增加随着mHTT携带者年龄的增加而减少，为运动缺陷的发生奠定了基础。与HD相反，在SCA1发病早期，纹状体几乎不受影响，这可能补偿了小脑区域出现的功能障碍，而后随着病程发展，纹状体也出现缺陷，对小脑的补偿机制消失。
开发疾病的治疗方法需要找到驱动疾病的治疗靶点。靶向降低突变基因或蛋白表达的疗法可能具有显著疗效，改善疾病表型，其目的为减少CAG重复长度或突变基因转录。这些方法包括RNA靶向疗法（如反义寡核苷酸和RNAi病毒载体）和DNA靶向疗法（如CRISPR-Cas9）。重要的是，在HD和SCA1小鼠模型中的研究结果均表明，治疗方法越早应用，效果越好。
如今科学家们正在对多种治疗方法与疾病发生和进展的靶向调节因子并行评估。这些药物包括DNA修复蛋白、改变蛋白质稳态的驱动因子（自噬激活剂）、代谢调节剂（PPARdelta激动剂）、基于细胞的疗法和其他干预措施以恢复出现缺陷的回路，以及其他基于机制的治疗手段。
最后，polyQ在人类中似乎更倾向于形成更长的重复序列（图3）。HTT中polyQ重复序列的长度具有与大脑复杂度增加相关的进化特性，这可能说明，谷氨酰胺的重复延长是大脑复杂性的一种介质，并为较长的非致病性HTTpolyQ提供了选择性优势。在非致病性HTT中，polyQ重复序列越长，认知功能增强的更多。利用小鼠胚胎干细胞发现在HTT中增加非致病性CAG的长度可以改善细胞的神经源性潜能。
如上所述，当重复扩展到超过致病阈值时，这一选择优势可能会成为劣势，引起疾病的发生。同HTT一样，ATXN1的polyQ在人类也更长且更可变。与HTTpolyQ在进化过程中出现得较早相比，ATXN1polyQ在哺乳动物中的出现要晚得多。ATXN1polyQ的进化发展并不像在HTT所观察到的与大脑复杂性增加的相关。因此了解在灵长类动物进化过程中ATXN1polyQ长度明显选择性增加的功能基础将是很有趣的。
图3.HTT（红色）和ATXN1（蓝色）中CAG重复序列的出现与大脑结构复杂性的关系
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.09.036
以上文章来源于逻辑神经科学，作者赵婧妤
