發(fā)布時(shí)間：2019-07-03
一個(gè)自閉癥關(guān)鍵基因的發(fā)現(xiàn)
1992年，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)研究DNA甲基化的生物化學(xué)家Adrian Bird博士發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的能與甲基化DNA相結(jié)合的蛋白質(zhì)，這是他發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)能與甲基化DNA結(jié)合的蛋白質(zhì)，于是將其命名為methyl-CpG binding protein 2 （MeCP2）。他在找到這個(gè)蛋白質(zhì)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)其功能很強(qiáng)大，能與被甲基化的DNA堿基相互作用，不過(guò)他肯定不會(huì)想到大約7年以后，這個(gè)神奇的蛋白質(zhì)居然會(huì)被發(fā)現(xiàn)與一種嚴(yán)重的遺傳病有關(guān)，而且會(huì)成為人們研究自閉癥機(jī)理的一把重要的鑰匙。
說(shuō)起Bird博士，那可是師出名門，他在70年代末剛剛走入科學(xué)殿堂的時(shí)候，就跟著生物化學(xué)與分子生物學(xué)界家喻戶曉的Edwin Southern博士做研究。Southern？難道是？不錯(cuò)，就是Southern blot的發(fā)明者。說(shuō)起Southern blot可是讀生物的無(wú)人不知無(wú)人不曉，這種用來(lái)檢測(cè)DNA的經(jīng)典方法就是Bird博士的老師Southern博士于二十世紀(jì)70年代發(fā)明的。Southern博士發(fā)明的DNA雜交技術(shù)以及之后在玻璃介質(zhì)上原位進(jìn)行DNA合成的方法都為90年代蓬勃發(fā)展的DNA芯片技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)，這些技術(shù)目前都已經(jīng)成為分子生物學(xué)工作者必備的利器，為基因組測(cè)序時(shí)代的到來(lái)奠定了基礎(chǔ)。Southern博士已經(jīng)獲得了美國(guó)著名的Lasker獎(jiǎng)，筆者相信Southern博士以后很有可能贏得諾貝爾獎(jiǎng)。
與功成名就的Southern博士比起來(lái)，Bird博士當(dāng)時(shí)還只是毛頭小子，但他在DNA甲基化修飾領(lǐng)域的一系列研究已經(jīng)為人矚目，Bird博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組找到了一系列與甲基化DNA相結(jié)合的蛋白。DNA可以被甲基化修飾已經(jīng)早為人知，但是功能不甚了了。研究者們猜測(cè)DNA的甲基化是關(guān)閉基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)，但是在上個(gè)世紀(jì)90年代初，還沒(méi)有直接證據(jù)。在這個(gè)問(wèn)題上，Bird博士的研究工作做出了卓越的貢獻(xiàn)。Bird博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組與1997、98年接連發(fā)表兩篇重要文章，發(fā)現(xiàn)MeCP2通過(guò)與組蛋白去乙酰化復(fù)合物直接作用而抑制基因的表達(dá)。原來(lái)如此，DNA本身的甲基化只是一個(gè)信號(hào)，真正行使抑制基因表達(dá)功能的是甲基化DNA蛋白招募來(lái)的組蛋白去乙酰化復(fù)合物。基因啟動(dòng)子位置的組蛋白被去乙酰化作用后使染色體處在緊縮的狀態(tài)，從而阻礙轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的靠近，進(jìn)而關(guān)閉基因的表達(dá)。Bird博士的研究組在接下來(lái)的工作中發(fā)現(xiàn)了一系列的甲基化DNA結(jié)合蛋白，將其命名為MBD1-4。關(guān)于甲基化DNA結(jié)合蛋白的分子生物學(xué)，好像已經(jīng)真相大白了。沒(méi)想到真正的暴風(fēng)雨在1999年才真正到來(lái)了，從此之后，甲基化DNA結(jié)合蛋白MeCP2一下子成為科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)界的熱點(diǎn)和寵兒，從看似平常的甲基化DNA結(jié)合蛋白一躍成為大腦中具有神秘使命的關(guān)鍵因子。
瑞特綜合征—戰(zhàn)火中走出的女科學(xué)家
1975年，剛走入西貝魯特美國(guó)大學(xué)醫(yī)學(xué)院就讀的年輕的Huda Zoghbi立志成為一名出色的女醫(yī)生，但是無(wú)奈黎巴嫩內(nèi)戰(zhàn)的戰(zhàn)火慢慢蔓延開(kāi)來(lái)。在醫(yī)學(xué)院的第一年，Zoghbi只能躲在女廁所旁邊的防空洞里面過(guò)夜。那個(gè)時(shí)候她和同伴目睹了炸彈時(shí)常落在校園里，度過(guò)了第一個(gè)學(xué)年后，她還想回去繼續(xù)學(xué)習(xí)，但是因?yàn)榈艿鼙粡椘瑩糁卸軅改笡Q定送姐弟倆去美國(guó)繼續(xù)學(xué)業(yè)。Zoghbi得以在美國(guó)田納西州Meharry醫(yī)學(xué)院繼續(xù)完成醫(yī)學(xué)學(xué)位，但是獨(dú)在異鄉(xiāng)的日子很難熬，當(dāng)初在大學(xué)里一起躲避炮彈的男同學(xué)一直給她寫信，這個(gè)男生在一年后也來(lái)到美國(guó)，有情人終成眷屬。
這段浪漫的故事就是Zoghbi博士成為科學(xué)家之前的故事。在得到醫(yī)學(xué)學(xué)位之后，Zoghbi博士成為了一名神經(jīng)科醫(yī)生，她陸續(xù)接觸到很多罹患罕見(jiàn)遺傳病的孩子。在Zoghbi博士做住院醫(yī)生的第二年，她遇到一個(gè)奇怪的病人，這個(gè)小女孩在2歲之前過(guò)著正常的生活，但是突然之間生長(zhǎng)發(fā)育出現(xiàn)了停滯，而且剛剛學(xué)會(huì)的咿呀學(xué)語(yǔ)也都不會(huì)了，并且有癲癇樣癥狀，而且雙手不自主的搓動(dòng)，呈現(xiàn)出刻板的行為，而且眼光也不會(huì)隨著醫(yī)生的主動(dòng)引導(dǎo)而變化，呈現(xiàn)出類似自閉癥的癥狀。這是Zoghbi博士第一次接觸到瑞特綜合征（Rett syndrome）。這是一種罕見(jiàn)的遺傳疾病，大多在女孩上發(fā)現(xiàn)，發(fā)病率約在一萬(wàn)到一萬(wàn)五千分之一，因此尋找完整的家系找到致病基因非常困難。在歷經(jīng)了十幾年的努力，1999年，Zoghbi博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組終于找到了這個(gè)嚴(yán)重發(fā)育性疾病的致病基因—MeCP2！
因?yàn)槿鹛鼐C合征患兒的刻板行為與避免與他人眼神交流的溝通缺陷癥狀，被神經(jīng)病學(xué)家歸類為自閉癥譜系障礙（Autism spectrum disorders）。因?yàn)?/font>MeCP2基因位于X染色體上，所以此基因的缺失突變對(duì)男性影響很大，往往無(wú)法出生，而攜帶突變的女性患兒可以出生，但是在發(fā)育早期1-3歲時(shí)就會(huì)開(kāi)始發(fā)病，可導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力的缺失而往往在輪椅上度過(guò)一生，同時(shí)沒(méi)有語(yǔ)言能力，認(rèn)知能力嚴(yán)重受損，生活完全不能自理，對(duì)病患及家庭都造成很大痛苦。
瑞特綜合征與我們通常說(shuō)的典型自閉癥還有不同，典型的自閉癥患者的生長(zhǎng)發(fā)育往往被影響不明顯，但是同時(shí)伴有刻板性行為和避免目光交流等癥狀。國(guó)際精神病學(xué)界在最新版的自閉癥診斷標(biāo)準(zhǔn)中不再將瑞特綜合征繼續(xù)作為自閉癥譜系障礙進(jìn)行診斷。但是MeCP2這個(gè)神秘的基因究竟與自閉癥有什么關(guān)系呢？
Zoghbi 博士經(jīng)過(guò)多年研究，在自閉癥患者人群中發(fā)現(xiàn)，MeCP2基因發(fā)生的基因倍增可在男性中導(dǎo)致嚴(yán)重的自閉癥。這個(gè)發(fā)現(xiàn)再一次告訴我們MeCP2基因在大腦神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中扮演的重要功能。因?yàn)?/font>MeCP2基因位于X染色體上，所以男性只攜帶一份MeCP2基因，如果發(fā)生缺失功能的突變，則不能夠出生，如果發(fā)生染色體區(qū)段重復(fù)導(dǎo)致的MeCP2拷貝數(shù)加倍則整體的MeCP2基因含量上升了100%，因此大腦不能承受過(guò)多MeCP2蛋白，而發(fā)生功能性的紊亂出現(xiàn)嚴(yán)重的自閉癥。而女性攜帶兩份MeCP2基因，在機(jī)體中還有隨機(jī)的X染色體失活現(xiàn)象，因此，如果MeCP2基因發(fā)生加倍，在機(jī)體中還會(huì)被隨機(jī)的失活一份，加倍拷貝可能被隨機(jī)失活而減小了對(duì)機(jī)體的傷害。總之，MeCP2基因?qū)ι矬w來(lái)說(shuō)，少了不行，多了也不行。過(guò)猶不及的MeCP2基因，它的編碼蛋白無(wú)非與甲基化DNA結(jié)合而已，究竟有什么重要功能，能對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育與正常功能造成如此大的影響呢？為了解答這個(gè)問(wèn)題，必須由生物化學(xué)家與分子生物學(xué)家進(jìn)行詳盡的機(jī)制研究，接下來(lái)，是生物化學(xué)家們?cè)倭⑵婀Φ臅r(shí)候了。
生物化學(xué)家再立奇功
2003年的哈佛大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)系，Greenberg博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組一直在研究在興奮的神經(jīng)細(xì)胞中基因被誘導(dǎo)表達(dá)的分子機(jī)制。Greenberg博士因?yàn)樵诎耸甏状伟l(fā)現(xiàn)神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿可以誘導(dǎo)基因的快速表達(dá)而聞名遐邇。接下來(lái)的一系列研究發(fā)現(xiàn)一些對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)有重要功能的基因，例如腦源性營(yíng)養(yǎng)因子BDNF的表達(dá)也是可以被神經(jīng)元的去極化興奮所誘導(dǎo)表達(dá)的。
陳雯博士是在Greenberg博士研究組的一名博士研究生，正在研究BDNF基因被神經(jīng)電信號(hào)誘導(dǎo)表達(dá)的分子機(jī)制，那天心血來(lái)潮。她突然想起來(lái)樓上實(shí)驗(yàn)室有個(gè)熟識(shí)的朋友正在研究一種好玩的甲基化DNA結(jié)合蛋白，好像名字叫MeCP2，于是就跑到樓上去把MeCP2的抗體拿過(guò)來(lái)，做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，看看MeCP2蛋白會(huì)不會(huì)結(jié)合在BDNF基因的啟動(dòng)子上。做個(gè)好玩的科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要理由么？當(dāng)我們?cè)诿枋鲈S多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，很多時(shí)候，我們需要一個(gè)rationale，所謂為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。多年后，Greenberg博士在學(xué)術(shù)報(bào)告中說(shuō)起這無(wú)厘頭的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，他自己承認(rèn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是沒(méi)有緣由的。很多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是在這樣的偶然中誕生了。
陳雯博士的朋友在著名的分子遺傳學(xué)家Rudolf Jaenisch博士實(shí)驗(yàn)室工作。Jaenisch博士是著名的研究表觀遺傳的科學(xué)家，對(duì)DNA甲基化機(jī)制有很多系統(tǒng)性的研究。在1999年Zoghbi博士發(fā)現(xiàn)MeCP2這種甲基化DNA結(jié)合蛋白的編碼基因突變是導(dǎo)致瑞特綜合征的原因之后，Jaenisch博士實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)展了關(guān)于MeCP2的研究。2001年Jaenisch博士與Bird博士同時(shí)發(fā)表了MeCP2基因敲除小鼠的報(bào)道。他們發(fā)現(xiàn)在MeCP2基因敲除小鼠中也出現(xiàn)了與瑞特綜合征病人類似的癥狀，例如運(yùn)動(dòng)能力缺損，頻發(fā)癲癇等等，因此MeCP2基因敲除小鼠成為一種非常重要的研究瑞特綜合征的小鼠模型。Jaenisch博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組因此擁有很多與MeCP2有關(guān)的實(shí)驗(yàn)試劑，例如針對(duì)MeCP2的抗體以及MeCP2基因敲除小鼠等等。
陳雯博士閑來(lái)無(wú)事做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)以后，結(jié)果卻給了她很大的驚喜！她發(fā)現(xiàn)MeCP2蛋白居然與BDNF基因的啟動(dòng)子有很強(qiáng)的相互作用，難道BDNF基因的表達(dá)是被DNA甲基化調(diào)控的么？接下來(lái)，她們發(fā)現(xiàn)了在神經(jīng)細(xì)胞中，BDNF基因的啟動(dòng)子的甲基化水平是可以被神經(jīng)電活動(dòng)很快速的調(diào)控的。DNA甲基化水平的變化往往非常緩慢，需要數(shù)十個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，而在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的DNA甲基化水平快速變化則提示相應(yīng)的DNA甲基化酶與去甲基化酶系統(tǒng)在神經(jīng)系統(tǒng)中有獨(dú)特的調(diào)控機(jī)制。她們還發(fā)現(xiàn)MeCP2可以調(diào)控BDNF這種重要神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的表達(dá)，進(jìn)而提出瑞特綜合征的發(fā)病原因是否是因?yàn)?/font>BDNF的表達(dá)失調(diào)呢？這些研究為MeCP2、瑞特綜合征以及自閉癥譜系障礙的機(jī)制研究都提供了重要的線索。
逆轉(zhuǎn)基因決定的命運(yùn)
在對(duì)MeCP2影響神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育與功能的研究如火如荼進(jìn)行的時(shí)候，罹患瑞特綜合征的小女孩和她們的家長(zhǎng)們還在無(wú)助的尋找有可能幫助她們的靈丹妙藥。無(wú)奈瑞特綜合征具備一些獨(dú)特的特征，比如并不是由于神經(jīng)細(xì)胞凋亡而導(dǎo)致的神經(jīng)退行性疾病，因此研究者根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)推測(cè)是因?yàn)?/font>MeCP2基因的突變而導(dǎo)致了神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程的功能失調(diào)。神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育速度是逐漸放慢的，換句話說(shuō)，等大腦逐漸成熟之后，所謂的發(fā)育過(guò)程就會(huì)停止。那么可能是在發(fā)育早期被突變的MeCP2破壞的大腦結(jié)構(gòu)是否能在大腦發(fā)育過(guò)程已經(jīng)基本完成的時(shí)候被修復(fù)呢？
面對(duì)這無(wú)數(shù)瑞特綜合征病患和她們父母無(wú)助的眼光，Bird博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組開(kāi)始了這樣一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)。研究者首先在小鼠的MeCP2基因前面裝上了一個(gè)開(kāi)關(guān)，用于關(guān)閉MeCP2基因的表達(dá)，但是這個(gè)開(kāi)關(guān)可以被藥物在需要的時(shí)候打開(kāi)。這個(gè)小鼠在剛出生的時(shí)候的MeCP2基因是被關(guān)閉的，于是開(kāi)始表現(xiàn)出一系列的疾病表型，比如癲癇，行動(dòng)困難及容易死亡等等。
接下來(lái)，Bird博士研究組的Guy博士開(kāi)始了一系列細(xì)致的工作，首先，Guy博士一下子大劑量的加入了能打開(kāi)被關(guān)閉MeCP2基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)的藥物。在缺失MeCP2基因的大腦中突然打開(kāi)內(nèi)源性的MeCP2，導(dǎo)致MeCP2蛋白的快速累積，沒(méi)想到導(dǎo)致的結(jié)果卻是災(zāi)難性的，小鼠無(wú)法承受突如其來(lái)的MeCP2蛋白，生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重影響，居然接下來(lái)發(fā)生了死亡。這好像又是MeCP2蛋白過(guò)猶不及的魔咒。Guy博士于是更換方法，用小劑量的藥物一點(diǎn)一點(diǎn)的打開(kāi)被關(guān)閉的MeCP2基因。在經(jīng)過(guò)了數(shù)年的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于到了見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻！
這些由于缺失MeCP2基因，已經(jīng)表現(xiàn)出嚴(yán)重癥狀，步履蹣跚，眼看就要走到生命盡頭的小鼠，當(dāng)它們大腦中的MeCP2基因一點(diǎn)一點(diǎn)被打開(kāi)后，這些嚴(yán)重的癥狀居然都成功的得到了逆轉(zhuǎn)！這些小鼠在大腦中的MeCP2水平緩慢提升之后，一點(diǎn)一點(diǎn)的被治愈了，原來(lái)的癲癇，行動(dòng)癥狀都消失了，而且大腦海馬中的神經(jīng)可塑性也得到了恢復(fù)。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一次證明，已經(jīng)發(fā)育成熟的大腦仍然具備很大的潛能。喪失MeCP2的大腦的發(fā)育出現(xiàn)各種缺陷，在整個(gè)機(jī)體已經(jīng)成年之后，再給予缺失的關(guān)鍵蛋白，大腦中錯(cuò)綜復(fù)雜的受損神經(jīng)環(huán)路仍然可以恢復(fù)正常功能。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也為瑞特綜合征的治療打開(kāi)了一扇嶄新的大門，同時(shí)也提示因?yàn)榛蛲蛔兌鴮?dǎo)致疾病的其他自閉癥譜系障礙也許都可以通過(guò)適量的基因治療而重新獲得健康。
結(jié)束語(yǔ)
世界各國(guó)在對(duì)自閉癥譜系障礙的研究正在全面展開(kāi)，遺傳學(xué)家在用最先進(jìn)的測(cè)序技術(shù)繼續(xù)尋找與自閉癥有關(guān)的基因，分子生物學(xué)加與生物化學(xué)家往往發(fā)現(xiàn)多年前曾經(jīng)工作過(guò)的蛋白質(zhì)往往在神經(jīng)系統(tǒng)里具有重要的功能，進(jìn)而投身神經(jīng)生物學(xué)研究領(lǐng)域。同時(shí)，我們?nèi)匀黄诖龔幕A(chǔ)研究到臨床研究的轉(zhuǎn)化研究可以為從自閉癥的準(zhǔn)確的科學(xué)診斷到最終治療貢獻(xiàn)力量。筆者認(rèn)為，對(duì)于自閉癥這樣一種復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究，必須是多學(xué)科交叉合作才能取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的，筆者期待在自閉癥研究中，遺傳學(xué)家、分子生物學(xué)家與神經(jīng)科學(xué)家通力合作，早日改變被基因突變決定的命運(yùn)！
重要參考文獻(xiàn)
Purification, sequence, and cellular localization of a novel chromosomal protein that binds to methylated DNA.Lewis JD, Meehan RR, Henzel WJ, Maurer-Fogy I, Jeppesen P, Klein F, Bird A.Cell. 1992 Jun 12;69(6):905-14.
MeCP2 is a transcriptional repressor with abundant binding sites in genomic chromatin.Nan X, Campoy FJ, Bird A. Cell. 1997 Feb 21;88(4):471-81.
Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2. Amir RE, Van den Veyver IB, Wan M, Tran CQ, Francke U, Zoghbi HY. Nat Genet. 1999 Oct;23(2):185-8.
Autism and other neuropsychiatric symptoms are prevalent in individuals with MeCP2 duplication syndrome. Ramocki MB, Peters SU, Tavyev YJ, Zhang F, Carvalho CM, Schaaf CP, Richman R, Fang P, Glaze DG, Lupski JR, Zoghbi HY.Ann Neurol. 2009 Dec;66(6):771-82.
Derepression of BDNF transcription involves calcium-dependent phosphorylation of MeCP2. Chen WG, Chang Q, Lin Y, Meissner A, West AE, Griffith EC, Jaenisch R, Greenberg ME. Science. 2003 Oct 31;302(5646):885-9.
DNA methylation-related chromatin remodeling in activity-dependent BDNF gene regulation. Martinowich K, Hattori D, Wu H, Fouse S, He F, Hu Y, Fan G, Sun YE. Science. 2003 Oct 31;302(5646):890-3.
Reversal of neurological defects in a mouse model of Rett syndrome. Guy J, Gan J, Selfridge J, Cobb S, Bird A. Science. 2007 Feb 23;315(5815):1143-7.
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