發布時間：2019-07-03
天使綜合征與Ube3a 基因
天使綜合征，又稱安格曼綜合征(Angelman syndrome)，是一種從兒童時期發病的嚴重發育性疾病。天使綜合征的發病率約為1/15000，患者有癲癇、發育遲緩、語言發育障礙及運動障礙等嚴重的癥狀，但是常常面露笑容，顯示出天使般的神態，因此被稱為天使綜合征。1965年英國兒科醫生Harry Angelman首先發現并系統性地描述了這種疾病，這種疾病因此得名。科研工作者和醫生對這種嚴重的疾病的病因進行了數十年的研究，發現仿佛是遺傳性的病因，但是好像又不遵循經典的孟德爾定律的遺傳法則。研究者發現，只有患兒攜帶從母親那里遺傳來的基因突變的時候，才會患病，這究竟是為什么呢？
1993年，美國國立腫瘤研究所的Peter Howley博士的實驗室發現了一種人類乳頭瘤病毒發病的奇特機制。當乳頭瘤病毒HPV-16感染人類宿主細胞后，病毒攜帶的蛋白質E6會招募宿主本身的一種蛋白質——E6相關蛋白(E6-associated protein, E6AP)，進而將重要的抑癌蛋白p53進行降解，宿主細胞因而失去抵抗能力，被病毒感染以后發生異常擴增而導致疾病。這種病毒依賴“內奸”來關閉宿主防御能力的機制真是聰明極了，一定是病毒與宿主在漫長進化過程中相互斗爭的成果。
研究者將這個宿主內的“內奸”基因克隆出來，將其命名為E6AP基因。接下來，在貝勒醫學院從事醫學遺傳學研究的Arthur Beaudet博士發現這個基因所屬的染色體區段很可能與天使綜合征有關，而且，這個基因位于15號染色體的長臂上(15q11-13)，這個區段有個非常獨特的特性，即位于這個區段上的基因，是被做了特殊印記的，生物學上稱作“基因印刻(gene imprinting)”[4]。研究者接著用人類遺傳學的研究方法發現E6AP基因的突變確實是導致天使綜合征的罪魁禍首[5,6]。
讓我們在下一小節介紹基因印刻，先說說這個基因編碼的蛋白質。E6AP基因編碼的蛋白質也非常重要，屬于細胞的回收站——泛素化蛋白酶體的核心組分之一。
細胞的蛋白質回收工廠——蛋白酶體
生物體內的蛋白質主要通過兩種途徑發生降解：泛素-蛋白酶體途徑和自噬-溶酶體途徑。蛋白質降解不僅僅是垃圾處理(清理失活的蛋白質)，并且也是細胞進行正常生理活動所需要的，比如細胞周期的進行與免疫應答等等。
圖1 泛素-蛋白酶體途徑[7]
泛素(ubiquitin)是一種廣泛存在于真核生物中的小分子蛋白質，只含有76個氨基酸殘基，在進化中高度保守。在泛素-蛋白酶體途徑中，存在3種主要的酶——E1、E2和E3。E1與E2負責將泛素蛋白進行活化與轉移準備，而E3(泛素連接酶)則負責將活化的泛素連接到即將被降解的蛋白質上(圖1)[7]。這樣被標記好的蛋白質就被送到細胞的蛋白質回收再利用工廠，進行分解反應。人體細胞中存在2種E1、至少25種E2、以及超過300種E3，泛素化修飾過程中對底物蛋白質的特異性識別就是由眾多的E3完成的。
這個“內奸”基因E6AP編碼的蛋白質，就是一個重要的E3蛋白，因此E6AP又得到了另外一個名字——泛素蛋白連接酶3A(Ubiqutin-protein ligase3A, Ube3a)。這個“內奸”基因編碼的蛋白質在沒有外敵入侵的時候，老老實實并不做壞事；但是在病毒入侵的時候，卻幫助病毒干掉了細胞的守衛——抑癌基因p53，導致機體的細胞異常增殖而產生腫瘤。這個重要的機制與天使綜合征的產生是否有關系呢？上文提到的貝勒醫學院的Beaudet博士團隊在1998年發現，Ube3a基因的突變也確實可以導致在神經元中積累過多的p53蛋白[8]。
那么在神經元中，Ube3a是否也行使著類似的功能，與某些入侵的外敵里應外合對p53蛋白進行降解？在神經元中，這個過程仿佛是正常生理活動所需要的，因為Ube3a的突變可導致過多的p53蛋白堆積而導致疾病。Ube3a蛋白在神經元中的具體功能是神經生物學的一個懸而未決的問題，正在被世界各國科學家們研究著。
神秘的基因印刻與過猶不及
基因印刻是生物學家在20世紀80年代發現的一種奇特的現象。在有性繁殖的高等生物中，雖然父母共同對子代貢獻50%的遺傳物質，但是這看上去對等的遺傳物質對子代的貢獻卻是不同的。有一些基因在子代中的活性取決于它們是來自父本還是母本。比如這個E6AP/Ube3a基因所在的15q11-13染色體區段就是著名的基因印刻區域。子代中來自母本的該染色體區段活性正常，但是來自于父本的染色體區段則被沉默，因此如果來自母本的這個染色體區段上的基因帶有突變，就會導致機體喪失該基因的正常功能。值得一提的是，目前在人類基因組中有近200個被印刻的基因，且大多數的基因印刻發生在大腦中，就是說被印刻的基因的父本和母本拷貝在其他組織中都是活性等同的，只有在神經系統中才會發生父本或母本被特異性沉默的現象。
天使綜合征的患病兒童絕大部分都是因為機體中來自母本的Ube3a基因發生了突變，因此不能維持Ube3a的正常功能，從而導致了疾病。那么來自父本的Ube3a基因為什么要被沉默呢？難道是細胞中的Ube3a蛋白水平需要被維持在一定水平？1997~1998年，一系列的遺傳學研究發現，包括Ube3a基因在內的15q11-13基因印刻區段(而且是具有活性的母本拷貝)如果發生染色體的倍增，則會導致患者出現自閉癥的癥狀[9,10]。這說明Ube3a的過多會對機體產生過猶不及的破壞作用。
我們在上篇中就知道MeCP2蛋白對于大腦的功能也是過猶不及的。MeCP2蛋白編碼基因發生突變會導致瑞特綜合征，而倍增則直接導致自閉癥。從Ube3a對大腦的作用我們又看到了類似的現象：神經系統的功能往往需要準確的蛋白質水平才能維持，過多或過少都不行。這與神經系統發揮功能的基本原理有關，神經系統中神經元之間的通訊單元是突觸，突觸的功能依靠數百種蛋白質進行維持，蛋白質過多或過少都會影響突觸的功能。
喚醒沉默的基因
面對罹患天使綜合征的孩子們可愛的笑臉，無數的醫生和科學家都在試圖找到能夠改善這些患者各種嚴重癥狀的良藥。他們體內來自母親的Ube3a基因發生了突變，而來自父親的Ube3a基因則被生物體自身的機制沉默著。我們是否能再一次逆轉基因決定的命運，喚醒沉睡的父本Ube3a基因呢？
2011年，在美國北卡萊羅那大學教堂山分校Philpot教授實驗室從事博士后研究工作的黃憲松博士(來自中國臺灣)從事了數年的研究工作后終于看到了曙光。研究者將Ube3a基因被特異性剔除的小鼠作為研究天使綜合征的動物模型，這些缺失了Ube3a基因的小鼠會發生癲癇、學習與記憶障礙、運動障礙等與患天使綜合征的小朋友類似的一系列癥狀。黃憲松博士將從缺失了母本Ube3a基因的小鼠中取出的神經元養在培養皿中，用多達2 306種的化合物進行篩選，觀察哪種化合物能夠打開父本的Ube3a基因。
修改自文獻[11]。Ube3a基因的父本和母本拷貝在其他組織中都是活性等同的；在神經系統中父本Ube3a基因被沉默，母本Ube3a基因正常表達；在天使綜合征患者神經元中，來自母本的Ube3a基因發生了突變；在DNA拓撲異構酶抑制劑Topotecan(拓撲替康)的干預下，來自父本的被沉默的Ube3a基因被打開。
圖2 天使綜合征患者的Ube3a基因
說到這，我們先簡單地說說父本的Ube3a基因被沉默的生物學機制是什么。在基因組上基因被沉默的最普遍的方式是DNA區段被甲基化修飾，比如我們第一篇文章[1]介紹的MeCP2，就是一個用結合甲基化DNA的方法來沉默目標基因的蛋白質。因此研究者一開始以為父本的Ube3a也是被甲基化的機制進行沉默的。但是當研究深入進行以后，研究者卻發現了完全不同的方法。在染色體的15q11-13區段與父本Ube3a基因反向的位點會表達一個非編碼RNA，這個非編碼RNA會一直產生覆蓋父本Ube3a基因的部分，導致父本的Ube3a基因無法正常表達。這種反義RNA介導的基因沉默機制就是生物體用來在大腦中關閉父本Ube3a基因表達的方法(圖2)[11]。
黃憲松博士進行了2 000多種化合物的篩選之后，驚喜地發現，有一類化合物居然可以打開沉默的父本Ube3a基因[12]！這類化合物叫做DNA拓撲異構酶抑制劑，是20世紀90年代上市的一系列抗癌藥。DNA拓撲異構酶是腫瘤細胞在快速增殖的過程中必需的一些因子，因此拓撲異構酶的抑制劑便被發現有抗癌功能。但是如同其他的抗癌劑一樣，拓撲異構酶抑制劑對人體也會產生惡心、嘔吐、免疫系統受損等嚴重的副作用。
黃憲松博士首先發現一系列的拓撲異構酶抑制劑可以成功地在培養皿中打開神經元中被沉默的父本Ube3a基因，而且原理就是這些拓撲異構酶的抑制劑可以阻斷那個抑制了父本Ube3a基因表達的反義非編碼RNA的產生。黃博士接下來用拓撲異構酶抑制劑對缺失了母本Ube3a基因的小鼠進行了實驗。他們發現用靜脈注射和腦內直接定點注射的方法都可以有效地打開被沉默的父本Ube3a基因，而且產生的Ube3a蛋白具有正常功能。科學家們正在研究是否可以用拓撲異構酶抑制劑來緩解Ube3a基因敲除小鼠的各種類人類天使綜合征的癥狀。因為拓撲異構酶抑制劑本身對人體的毒性也很大，因此盡量減小藥物的毒性及增強有效性都是亟需解決的問題。
結束語
天使綜合征是與自閉癥譜系障礙一樣嚴重影響青少年身心健康的一類發育性神經系統疾病，而且天使綜合征的致病基因Ube3a也與自閉癥有著非常密切的關系。因此，對天使綜合征的科學研究對自閉癥的神經生物學研究有著非常重要的借鑒意義。大腦中的基因印刻現象一直是一個未解之謎，高等生物體為什么要在大腦中特異性地產生如此之多的基因印刻？這些被印刻的基因與大腦的正常功能有什么關系？基因印刻與自閉癥譜系障礙有什么關系？這些都是世界各國科學家正在研究的課題。
從拓撲異構酶抑制劑對天使綜合征小鼠模型的作用中，我們可以看到人類戰勝各種遺傳性疾病的曙光已經到來。然而科學發現并非可以一蹴而就，往往需要數年、數十年的基礎研究工作。隨著科學與醫學的飛速進步，我們毫不懷疑在不遠的將來，人類會攻克絕大部分的嚴重疾病。當然這需要全社會對基礎科學研究的非功利性的、長遠的支持，讓科學工作者在探索未知世界的同時，造福人類社會。
(發表于生命的化學, 2013, 33(5): 604-607)
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