连发一篇Cell，两篇Neuron：肌萎缩侧索硬化症（ALS）的遗传学基础和治疗
肌萎缩性脊髓侧索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一种致命的神经退行性疾病，由大脑和脊髓运动神经元的丧失引起。ASL即我们常说的“渐冻症”，已故的著名物理学家霍金（1942-2018）就是一名渐冻症患者。
ALS群体在过去30年里通过发现新的家族突变、建立动物模型、阐明分子机制以及最终开发出有前途的新治疗方法取得了显著进展。本文结合近期多篇关于ALS最新报道，对ASL的遗传学基础和治疗等作出总结。
欢迎加入
全国神经内科学术讨论群
添加小编微信
brainnews_11
-留言神经内科研究群-
2022年3月16日，英国谢菲尔德大学转化神经科学研究所Pamela J. Shaw研究组在Neuron上发表文章“Genome-wide identification of the genetic basis of amyotrophic lateral sclerosis”，文章机器学习方法，它将功能基因组学与全基因组关联研究（GWAS）统计数据相结合，以发现基因，发现KANK1作为一种新的ALS基因。
ALS是一种导致运动神经元死亡的复杂疾病，GWASs发现的基因座相对较少，作者开发了一种名为RefMap的机器学习方法，它将功能基因组学与GWAS统计数据相结合，以发现基因。
通过对源自诱导多能干细胞(iPSCs)的运动神经元进行转录组和表观遗传分析，RefMap识别出690个ALS相关基因。
广泛的保守性、转录组、网络和罕见变异分析表明，在健康和患病的运动神经元和脑组织中，候选基因的功能重要性。常见和罕见变异之间的遗传趋同突出了KANK1作为一种新的ALS基因。
在人类神经元中复制KANK1患者突变导致神经毒性，并证明了ALS的一个标志病理蛋白TDP-43定位错误，是轴突功能障碍的下游。
近日，来自墨尔本大学的Seth L. Masters教授实验室在Cell 杂志上发表题为“TDP-43 Triggers Mitochondrial DNA Release via mPTP to Activate cGAS/STING in ALS”的研究论文，阐释了TDP-43通过在线粒体的累积，诱导线粒体DNA向细胞质释放，并进一步激活cGAS/STING信号通路，引起NF-κB和I型干扰素信号通路的升高。相反，使用STING抑制剂H-151处理可以抵消炎症并改善神经退行性症状。
Tdp-43突变发生在大约4%的家族性ALS患者中。Tdp-43在ALS患者的神经元胞浆中积累。此外，TDP-43是一种位于细胞核内的核酸结合蛋白。同时，ALS患者会产生神经炎症细胞因子，主要表现为NF-KB和I型干扰素信号通路的激活。TDP-43突变诱导神经元炎症的确切机制尚不清楚。
为了确定TDP-43突变是否通过感知细胞DNA或RNA的固有免疫信号通路激活炎症，我们首先在MAVS、PKR、cGAS和STING敲除的mef中过表达野生型TDP-43和ALS突变(Q331K)，发现缺失cGAS和STING可以完全阻断TDP-43 Q331K突变诱导的炎症因子的表达。以上结果一致证明TDP-43突变通过cGAS/STING信号通路诱导神经炎症。
此外，无论是STING敲除还是阻断STING信号通路的抑制剂都能有效改善ALS模型小鼠的炎症信号，恢复神经元数量和功能，恢复小鼠的运动功能。本研究为TDP-43突变诱导神经炎症的机制提供了完整的解释。
通过系统分析ipsc分化的运动神经细胞、ALS模型小鼠和ALS患者样本，发现TDP-43通过诱导mPTP开放和释放线粒体DNA激活cGAS/STINF信号通路。它诱导TNF和I型干扰素信号的激活，最终导致神经元炎症和运动神经功能症状。为肌萎缩侧索硬化症患者应用SITNG抑制剂进行干预提供了理论和实验依据。
2022年3月21日，来自来自智利的科学家们在Neuron 杂志上发表题为Excessive release of inorganic phosphate by ALS/FTD astrocytes causes non-cell-autonomous toxicity to motoneurons 的研究论文，阐释了在ALS和FTD患者机体中，星形胶质细胞或会释放一种无机多磷酸盐来促进运动神经元的死亡，而这或许就是这些疾病发生的原因。星形胶质细胞衍生的过量无机多磷酸盐或许能作为非细胞自主运动神经元变性的关键因素，同时其还能作为ALD/FTD的一种潜在治疗性靶点；此外，无机多磷酸盐还能作为一种ALS/FTD发生的新型标志。
此外，Neuron 发表了题为“ALS Genetics: Gains, Losses, and Implications for Future Therapies”的综述，该文围绕ALS的发病机制、相关基因治疗方案进行主要论述。从发现第一个ALS致病基因至今的近30年时间里，ALS相关的治疗学研究已经步入临床治疗阶段。
而在过去的十年中，反义寡核苷酸(ASOs)的开发和临床应用掀起基因治疗风暴。ASOs的思路非常简单，即如果突变的基因导致蛋白毒性而致病，那么就通过基因干预的方式来抑制毒性蛋白的基因转录，ASOs由此应运而生。目前通过靶向三种ALS致病基因（SOD1，C9ORF72和FUS）的ASOs正在进行临床研究。
约10%的ALS相关病例被认为是家族性ALS(fALS)，其余的被认为是散发性ALS(sALS)。虽然fFALS不像sALS那样常见，但对家族性ALS相关基因突变进行基因干预对了解ALS的发病机制具有重要意义。
迄今为止，绝大多数ALS基因突变是通过fALS发现的，人们认为基因突变是通过GOF(gain-of-function)相关机制导致ALS的发生。GOF机制被认为是ALS发病的关键因素，如疾病的显性遗传模式，有毒蛋白聚集物的产生，以及生物过程中分子功能的改变。
1993年，第一个ALS疾病基因超氧化物歧化酶1(SOD1)被发现。SOD1通过GOF机制引起ALS。此外，大部分ALS致病基因，如C90RF72、TARDBP、FUS、HNRNPA1等也可能通过GOF机制发挥作用。然而，ALS的发病机制也可能由LOF(gene loss-of-function)突变引起，如OPTN和TBK1突变。然而，即使是SOD1和C9ORF72等被认为主要通过GOF机制的突变基因，也表现出LOF特性，如C9ORF72突变患者的免疫功能障碍。
在不到30年的研究中，ALS的相关研究已进入临床治疗阶段。个性化ASOs对单基因突变的患者治疗策略可能成为ALS的常规治疗方法,但是损失函数(LOF)和增益函数(GOF)需要考虑同时治疗ALS,因为一些LOF效应可以显著改变与疾病相关的表型。综上所述，本文系统介绍了ALS相关功能丧失和功能增加的研究进展，GOF与LOF联合治疗可能是治疗ALS的有效策略。
参考文献：
Cristian Arredondo，Carolina Cefaliello，Agnieszka Dyrda, et al. Excessive release of inorganic phosphate by ALS/FTD astrocytes causes non-cell-autonomous toxicity to motoneurons, Neuron (2022). DOI:10.1016/j.neuron.2022.02.010
Ishizawa, H., Kuroda, M., Inoue, D. et al. Genome-wide identification of bacterial colonization and fitness determinants on the floating macrophyte, duckweed Commun Biol 5, 68 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-022-03014-7
Sreedharan, J., et al. (2008). TDP-43 mutations in familial and sporadicamyotrophic lateral sclerosis. Science 319,1668–1672.
Johnson, B.S., et al. (2009). TDP-43 is intrinsically aggregation-prone,and amyotrophic lateral sclerosis-linked mutations accelerate aggregation andincrease toxicity. J. Biol. Chem. 284, 20329–20339.
Zhao, W., et al. (2015). TDP-43 activates microglia through NF-kB andNLRP3 inflammasome. Exp. Neurol. 273, 24–35.
Wang, R., et al. (2011). Activation of interferon signaling pathways inspinal cord astrocytes from an ALS mouse model. Glia 59, 946–958.
编译作者：Dr. Hu（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）