“無臉癥”百年未解病因 “元兇”浮出水面

MIT和斯坦福大學(xué)的研究人員最近在《Nature》發(fā)表文章，解釋了基因突變?nèi)菀讓?dǎo)致一種先天性臉頰和下頜骨發(fā)育畸形“特雷徹?柯林斯綜合征”的分子機(jī)理。

美國出生的嬰兒中每750個(gè)大約有1個(gè)患有顱面畸形，約占所有出生缺陷的三分之一。在這個(gè)“看臉”、“刷臉”的世界，這些患兒們不僅發(fā)音和聽力有障礙，長大后往往因外表異樣在學(xué)校和職場都受歧視。

許多顱面畸形源于“看家基因”突變，這些基因被稱作看家基因的原因在于，在許多組織中都表達(dá)，是掌管蛋白質(zhì)生產(chǎn)或DNA復(fù)制等基本生物功能的重量級(jí)基因?？茖W(xué)家們一直在想，為什么這些基因突變?nèi)绱饲嗖A造成顱面部組織缺陷。

MIT和斯坦福大學(xué)的研究人員最近在《Nature》發(fā)表文章，解釋了基因突變?nèi)菀讓?dǎo)致一種先天性臉頰和下頜骨發(fā)育畸形“特雷徹?柯林斯綜合征（Treacher-Collins Syndrome，TCS）”的分子機(jī)理。

團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)形成面部的胚胎細(xì)胞對(duì)基因突變更為敏感的原因是，這些細(xì)胞時(shí)刻準(zhǔn)備著根據(jù)壓力變化啟動(dòng)細(xì)胞凋亡通路，介導(dǎo)這條通路的蛋白是p53，這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)了胚胎發(fā)育階段看家基因突變的組織特異性影響。

“在分子水平上，我們發(fā)現(xiàn)所有細(xì)胞用于制造核糖體的通用調(diào)節(jié)子更傾向?qū)е绿囟?xì)胞類型缺陷，”MIT生物學(xué)助理教授文章一作Eliezer Calo說。

從突變到疾病

1900年，英國外科醫(yī)生和眼科醫(yī)生Edward Treacher Collins首次描述了TCS的基本特征，隨后這種疾病被冠以Treacher-Collins綜合征之名。TCS通常是常染色體顯性遺傳，超過一半病例與新突變有關(guān)，而非來自父母遺傳。所涉及的基因包括TCOF1、POLR1C或POLR1D，這些基因的編碼蛋白與聚合酶組裝和功能有關(guān)，參與構(gòu)成核糖體的基因（rDNA）轉(zhuǎn)錄。

核糖體，所有細(xì)胞的關(guān)鍵細(xì)胞器

這些突變只特異性影響一類名為“顱神經(jīng)嵴細(xì)胞（cranial neural crest cells）”的胚胎細(xì)胞?！盀槭裁醇?xì)胞核糖體組分突變會(huì)導(dǎo)致顱面畸形？為什么全身其他細(xì)胞類型不受影響？”Calo說。

研究人員利用斑馬魚和非洲爪蟾模型表達(dá)突變蛋白，結(jié)果顯示，突變損害了DDX21酶的功能。當(dāng)DDX21從DNA上解離后，這段核糖體蛋白編碼基因就無法正常轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致缺失組件的核糖體也無法正常工作。

但是，只有那些對(duì)p53活化高度敏感的細(xì)胞（包括顱神經(jīng)嵴細(xì)胞）才會(huì)出現(xiàn)DDX21缺陷。隨后，由于核糖體功能受阻，這些細(xì)胞開始執(zhí)行程序性細(xì)胞死亡，最終引發(fā)TCS。

相比其他胚胎干細(xì)胞，如其他類型的神經(jīng)嵴細(xì)胞、其他部位的結(jié)締組織細(xì)胞等并不受DDX21缺陷影響。

DNA損傷

研究人員發(fā)現(xiàn)POLR1C和POLR1D突變也會(huì)導(dǎo)致組成核糖體的RNA組件的編碼DNA出現(xiàn)損傷。DNA損傷量與模式動(dòng)物子代的畸形嚴(yán)重程度密切相關(guān)。其中，POLR1C突變?cè)斐傻腄NA損傷比POLR1D突變更多?？茖W(xué)家認(rèn)為，TCS患者個(gè)體間患病嚴(yán)重程度的差異應(yīng)該來自這些DNA損傷量的變化。

目前，Calo實(shí)驗(yàn)室正在研究為什么受影響細(xì)胞的某些特殊序列傾向產(chǎn)生更高水平的DNA損傷，同時(shí)他們也在尋找預(yù)防顱面部缺損的化合物，使顱神經(jīng)嵴細(xì)胞對(duì)p53誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡具有更強(qiáng)的抵抗力。

人類胚胎在第三周左右進(jìn)入面部塑造，此時(shí)顱神經(jīng)嵴細(xì)胞開始形成組織層，如果科學(xué)家們研發(fā)出針對(duì)預(yù)防顱面出生缺陷的藥物，可在此時(shí)進(jìn)行早期干預(yù)。

心臟再生重要基因

布魯塞爾自由大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，Mesp1基因在心血管譜系分離早期階段扮演重要角色。

一個(gè)被馬賽克標(biāo)記的胚胎心臟，每個(gè)顏色補(bǔ)丁都來自早期標(biāo)記的心臟祖細(xì)胞表達(dá)的關(guān)鍵基因Mesp1

心臟是發(fā)育過程中形成的第一個(gè)器官。心臟有4個(gè)不同區(qū)域（心室和心房）。細(xì)胞不同功能不同：心肌細(xì)胞（cardiomyocytes）負(fù)責(zé)不停抽吸、血管細(xì)胞（vascular cells）形成內(nèi)壁和血管，起搏細(xì)胞（pacemaker cells）發(fā)動(dòng)心跳。

如果創(chuàng)造心臟的祖細(xì)胞（progenitor cells）無法在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)遷移到正確的位置，分化成特定細(xì)胞類型，心臟就會(huì)畸形發(fā)育，導(dǎo)致嚴(yán)重出生缺陷——先天性心臟病。

以往的研究表明，來自不同細(xì)胞庫的各種心臟祖細(xì)胞有一個(gè)共同特征——表達(dá)Mesp1基因。除此之外，科學(xué)家還未曾發(fā)現(xiàn)過其他分子水平上的心臟祖細(xì)胞鑒定方法，更無從知曉促進(jìn)祖細(xì)胞進(jìn)入特定心臟區(qū)域或心臟譜系的分子機(jī)制。

布魯塞爾自由大學(xué)的Cédric Blanpain教授和劍橋大學(xué)的Berthold G?ttgens教授在最新一期《Science》發(fā)表文章，通過單細(xì)胞分子分析和譜系跟蹤，他們終于鑒定出了Mesp1在心血管譜系分離早期的重要作用。

Fabienne Lescroart和同事分離了胚胎發(fā)育不同階段的Mesp1表達(dá)細(xì)胞，用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析這些早期心臟祖細(xì)胞，尋找區(qū)域和細(xì)胞類型相關(guān)的分子特征，他們證明，不同的心臟祖細(xì)胞群的分子狀態(tài)有明顯區(qū)別。

借助單細(xì)胞分子表達(dá)譜分析這些早期祖細(xì)胞在缺乏Mesp1情境下的表現(xiàn)，研究人員證明Mesp1對(duì)細(xì)胞多能狀態(tài)維持和心血管基因表達(dá)程序誘導(dǎo)都是必須的。

生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，不同的早期Mesp1祖細(xì)胞群致力于不同細(xì)胞譜系和心臟區(qū)域發(fā)育，盡管祖細(xì)胞都是未分化的，但是新分析結(jié)果顯示，心血管祖細(xì)胞群被“預(yù)處理”過，早已預(yù)先指定可分化為心肌細(xì)胞或血管細(xì)胞。

本文報(bào)道了可用于鑒定心臟早期譜系管制和區(qū)域分離的一些相關(guān)分子特征。研究人員觀察到在早期發(fā)育階段，不同細(xì)胞群的出生位置和時(shí)間各不相同，心臟和血管譜系最早分支點(diǎn)與Notch1標(biāo)記有關(guān)，攜帶Notch1標(biāo)記的早期祖細(xì)胞致力于血管譜系發(fā)育。

文章通訊作者之一Cédric Blanpain認(rèn)為，早期譜系分離范式鑒定對(duì)控制器官/組織形成都有影響，解鎖未知的分子特征不僅可深入了解先天性心臟病，還能幫助心血管祖細(xì)胞向特定譜系轉(zhuǎn)化，從而改善心肌修復(fù)細(xì)胞療法。

通訊作者Bertie Gottgens強(qiáng)調(diào)：“新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵取決于技術(shù)革新，單細(xì)胞基因活性圖譜使微小細(xì)胞族群研究成為可能。我們還能通過計(jì)算機(jī)分析基因表達(dá)活性將單細(xì)胞分類為某個(gè)亞組或某細(xì)胞類型。根據(jù)這些基因圖譜，發(fā)現(xiàn)新候選基因，再利用候選基因開發(fā)心臟病新療法?！?/p>