被遺忘的基因
2014年06月19日
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數(shù)十年來，大多數(shù)科研人員都忽視了阿爾茨海默病的遺傳風(fēng)險因素，不過這一切正在改變。 1991年的一天，神經(jīng)學(xué)家Warren Strittmatter讓他的老板看了一些非常讓人費(fèi)解的數(shù)據(jù)。Strittmatter當(dāng)時正在研究β淀粉樣蛋白（amyloid-β），這種蛋白是形成于阿爾茨海默疾病患者大腦中的分子簇的主要組成。他當(dāng)時致力于尋找腦脊液中的淀粉樣蛋白結(jié)合蛋白，并最終找到了一種叫做載脂蛋白E（apolipoprotein E, ApoE）的物質(zhì)，但并未發(fā)現(xiàn)其與阿爾茨海默病的發(fā)生有明顯關(guān)系。 Strittmatter的老板——Allen Roses，是杜克大學(xué)的遺傳學(xué)家，他立刻認(rèn)識到他的同事很有可能不經(jīng)意間撞見了足以令人激動的發(fā)現(xiàn)！就在Strittmatter發(fā)現(xiàn)ApoE的兩年前，Roses的研究小組已經(jīng)證實了阿爾茨海默病與19號染色體上某個區(qū)域具有相關(guān)性?！澳蔷秃孟袷情W電一樣擊中了我，從此改變了我的生活?！盇llen Roses這樣描述道。 在人體中，APOE基因共有三種常見變異型，或稱等位基因，分別編碼為2，3，4。Roses認(rèn)識到，最關(guān)鍵的一步是找到單個APOE等位基因是否會增加阿爾茨海默病的患病風(fēng)險。該基因的不同變異型可以通過聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）彼此區(qū)分開來。但是，Roses對PCR并不在行，于是他請組內(nèi)的博后負(fù)責(zé)使用PCR技術(shù)對來自患者的樣本進(jìn)行檢測，并將結(jié)果與健康人樣本進(jìn)行比較。然而，他的要求被博后拒絕了，理由是他們正忙于尋找導(dǎo)致該疾病的基因，而APOE看起來沒什么研究價值。Roses后來回憶道“當(dāng)時感覺自己很孤立，盡管是實驗室的頭兒，別人卻認(rèn)為自己是瘋子。” Roses只好又去向自己的妻子尋求幫助。他的妻子Ann Saunders是一位小鼠遺傳學(xué)家，精通PCR技術(shù)。當(dāng)時她剛剛生下他們的寶貝女兒，還在休產(chǎn)假。面對丈夫的請求，妻子答應(yīng)伸出援手，“當(dāng)她在做實驗時，我在一旁照顧孩子，”Roses說。不到三個星期，他們就獲得了有用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)足以發(fā)表一大堆具有劃時代意義的文章，APOE4等位基因被證實與阿爾茨海默病高度相關(guān)。 20年過去了，APOE4仍然被認(rèn)定為最常見的癡呆性疾病——阿爾茨海默病的主要遺傳風(fēng)險因素（詳見遺傳性風(fēng)險因子）。遺傳攜帶一個APOE4等位基因可使患病幾率提高四倍，攜帶兩個等位基因，將使患病風(fēng)險提高12倍。盡管如此，Roses的實驗結(jié)果大部分還是被挑剔或忽略了。接下來的數(shù)年里，人們對ApoE的興趣不再，因為大家都紛紛轉(zhuǎn)而研究淀粉樣蛋白了。少數(shù)幾個繼續(xù)致力于ApoE研究的實驗室，則不得不面對來自基金資助機(jī)構(gòu)及神經(jīng)科學(xué)界的冷淡態(tài)度，他們?nèi)狈ψ銐虻馁Y源支持去進(jìn)行更加大型的研究以便對實驗結(jié)果進(jìn)行證實。
但是，對脂蛋白的研究熱情似乎又有所恢復(fù)，部分原因是對β淀粉樣蛋白的研究屢屢在臨床試驗中受挫。一些制藥公司開始撤回一些基于淀粉樣蛋白的研究，有些學(xué)者也開始對業(yè)內(nèi)對這個分子的狂熱產(chǎn)生質(zhì)疑。由此，研究者們開始第一次研發(fā)針對ApoE蛋白的藥物，吸引了制藥企業(yè)的關(guān)注。 “淀粉樣蛋白假說在某種程度上已經(jīng)好像成了科學(xué)定論，人們幾乎可以忽視證據(jù)的缺失，僅憑信念就對它全盤接受，”非營利性阻止阿爾茨海默病2020項目主席（nonprofit campaign Prevent Alzheimer’s Disease 2020）Zaven Khachaturian這樣評價道。Zaven Khachaturian曾任美國國家衛(wèi)生研究院阿爾茨海默病相關(guān)活動協(xié)調(diào)官。他說：“直到現(xiàn)在，也從來沒人想一想，我們對疾病發(fā)生的基礎(chǔ)前提的理解是否正確。”
激烈競爭關(guān)于Roses的發(fā)現(xiàn)為何被視而不見，人們眾說紛紜。但大部分都同意一個說法：他沒趕上好時候。1991年，John Hardy 和 David Allsop提出了淀粉樣級聯(lián)假說（amyloid cascade hypothesis）。該假說認(rèn)為阿爾茨海默病是由于大腦中β淀粉樣蛋白簇或斑塊的異常堆積而導(dǎo)致的。這個假說受到大家的支持，也因此獲得前所未有數(shù)額的資助。 但是Roses卻并不贊成上述假說?！爱?dāng)大腦中的細(xì)胞死亡或者大腦萎縮時，會產(chǎn)生許多物質(zhì)，聚集形成斑塊，淀粉樣蛋白只是其中一種，”他說，“我從來沒有認(rèn)為這個蛋白質(zhì)是產(chǎn)生疾病的原因。”由于他如此堅持己見，無形中也阻止了一部分人去研究ApoE和淀粉樣蛋白之間可能存在的關(guān)聯(lián)，并且使得兩種假說之間為了爭奪資金支持，展開競爭。他從來沒有獲得過另一項針對ApoE的資助。 此外，對ApoE的研究也存在技術(shù)上的困難。這個蛋白質(zhì)在全身各處都存在，因此對大腦中的這個分子進(jìn)行特異靶向十分困難。“而且ApoE可以和脂類結(jié)合，因此在生化檢測中，它可以與其它分子結(jié)合在一起?！卑⑺估担ㄓ鼜厮固兀┑男》肿友芯控?fù)責(zé)人 Menelas Pangalos這樣介紹說，他一直以來都對ApoE很感興趣。 對這樣的蛋白質(zhì)進(jìn)行研究需要我們對脂質(zhì)生物化學(xué)知識有相當(dāng)深的了解?！叭绻阆胙芯緼poE的生物學(xué)知識，你真的需要投入一個實驗室對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，”華盛頓大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家David Holtzman說。Holtzman也正是這么做的，他剛剛建立了一個獨(dú)立實驗室，專門開發(fā)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)脂蛋白研究的技術(shù)。 淀粉樣蛋白的靶向研究相比較而言要容易一些。20年緊鑼密鼓的研究，已經(jīng)開發(fā)出了一些可以改變β淀粉樣蛋白代謝的藥物，但還沒有完全符合我們的期望。2012年，有六個藥物進(jìn)入臨床II期或III期試驗，但有一半被淘汰。原因之一是安全問題，第二個是缺乏療效。這些都是在人口老齡化，飽和的醫(yī)療保健系統(tǒng)以及阿爾茨海默病缺乏有效藥物的背景下發(fā)生的?！鞍柎暮Ｄ⊙芯恐械氖∮袝r令人感到害怕，”加州大學(xué)格萊斯頓神經(jīng)疾病研究所（Gladstone Institute of Neurological Disease）主任 Lennart Mucke說，“屢次的失敗真的嚇退了很多大型制藥企業(yè)。” 剩下來的三個藥物都是靶向針對β淀粉樣蛋白的，目前正在阿爾茨海默病患者以及具有高患病風(fēng)險，但還沒有出現(xiàn)癥狀的人群中進(jìn)行試驗。成像研究表明，具有高患病風(fēng)險的人的大腦和正常人有所不同，這種不同早在出現(xiàn)癥狀前數(shù)十年就可以出現(xiàn)，而且在β淀粉樣蛋白出現(xiàn)聚集或灰質(zhì)變小之前就會出現(xiàn)。 試驗將要證實藥物是否能夠阻止或延遲疾病的發(fā)生；該試驗將在接下來的六年繼續(xù)進(jìn)行。業(yè)內(nèi)人士——包括研究學(xué)者和制藥企業(yè)的人——都很清楚的一點(diǎn)是：這將是淀粉樣蛋白假說最后的機(jī)會，ApoE將重回人們的視野。 Mucke說，如果上述試驗失敗，科學(xué)家和制藥公司就得重回談判桌，拿出臨床前及早期臨床數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)來說話。他對ApoE研究持樂觀態(tài)度，相信該領(lǐng)域的研究者很快就能具有這樣的實力。盡管困難重重，但是越來越多的結(jié)果證明ApoE4提高了患病風(fēng)險。Holtzman和Mucke的小組都通過構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠，利用其表達(dá)人ApoE來進(jìn)行研究。 該分子似乎通過兩條不同的路徑導(dǎo)致阿爾茨海默病的發(fā)生，一條是淀粉樣蛋白依賴性路徑。在動物和人體內(nèi)，ApoE4極大地促進(jìn)了β淀粉樣蛋白在大腦中的沉積。ApoE3則扮演無功無過的角色，對患病風(fēng)險似乎沒有影響。ApoE2具有保護(hù)性，是傳說中“好的ApoE”，可以降低淀粉樣蛋白的積累?！斑@些發(fā)現(xiàn)都十分令人激動，”Holtzman不由發(fā)出這樣的感嘆。 另一條路徑機(jī)制與淀粉樣蛋白無關(guān)。處于應(yīng)激狀態(tài)的神經(jīng)元會把ApoE當(dāng)作一種修復(fù)機(jī)制?！皦牡摹盇poE4會分解形成有毒的碎片，這些碎片會搗毀細(xì)胞的能量工廠——線粒體——從而改變細(xì)胞構(gòu)架。 Holtzman說，這兩種機(jī)制到底分別以多大的比例導(dǎo)致疾病發(fā)生，目前還不知道。但是他和同事們認(rèn)為，如果能把有害的ApoE轉(zhuǎn)化成危害較小的形式，有可能是治療這一疾病的方法。在格萊斯頓神經(jīng)疾病研究所的心血管科學(xué)家Robert Mahley，正與包括神經(jīng)學(xué)家Yadong Huang在內(nèi)的研究小組一起合作，他們鑒定出了小“矯正”分子，可以對ApoE4進(jìn)行修飾，從而將其轉(zhuǎn)變成類似于ApoE3的蛋白，降低異常有毒碎片的產(chǎn)生。 在細(xì)胞培養(yǎng)中，如果存在低濃度的“矯正”分子，就會減少線粒體的損害以及神經(jīng)元紊亂的發(fā)生。目前，研究者正在動物模型中對這些分子進(jìn)行更加嚴(yán)格的檢測。如果最終證明這些分子在人體內(nèi)是安全和有效的，那么我們就終于看到了曙光。Mucke幾乎看到在未來的那一天，醫(yī)生給那些具有更高癡呆癥患病風(fēng)險的患者開藥，以便預(yù)防疾病的發(fā)生，就如同現(xiàn)在給高膽固醇，更容易患心血管疾病的人開他汀類藥物一樣自然。
不止于治療阿爾茨海默病這些藥物的用途還遠(yuǎn)不止于治療阿爾茨海默病。“線粒體修復(fù)假說為我們提供了富有邏輯又簡潔明了的原因，解釋了ApoE4為何是有害的，”Mucke說，“它不僅僅會造成阿爾茨海默病，也很有可能導(dǎo)致其它疾病的發(fā)生。”已經(jīng)有研究結(jié)果表明，ApoE4有可能是導(dǎo)致帕金森病和癲癇的風(fēng)險因子。此外，它還與頭部外傷較差的預(yù)后，及未經(jīng)治療的HIV感染導(dǎo)致的更快速的疾病進(jìn)展有關(guān)。已有15家生物技術(shù)公司決定聯(lián)合起來，格萊斯頓神經(jīng)疾病研究所共同合作，開發(fā)此類藥物。 盡管無法獲得資助，Roses卻從來沒有放棄ApoE的研究。但是，在他的小組發(fā)現(xiàn)ApoE與阿爾茨海默病之間的關(guān)聯(lián)后的幾年，他對于無止境地爭奪基金支持感到身心疲憊。于是，他離開了學(xué)術(shù)界，在企業(yè)干了10年——在那里，除了其它工作之外，他繼續(xù)著ApoE的研究——直到2008年他重返杜克大學(xué)。 2009年，Roses的小組在TOMM40基因片段內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一段非編碼DNA，位于19號染色體上APOE基因的旁邊。這段DNA被記作523，長度不一。523的長度可以決定TOMM40和APOE基因的表達(dá)量。 這一發(fā)現(xiàn)十分重要，Roses解釋說，因為TOMM40的編碼蛋白質(zhì)Tom40對維持線粒體的正常功能很關(guān)鍵。Tom40在線粒體外膜上形成一個通道，允許蛋白質(zhì)通過。沒有這些蛋白質(zhì)，線粒體在細(xì)胞生命周期內(nèi)就無法進(jìn)行必需的分裂。Roses說：“這些并不是什么新發(fā)現(xiàn)，十年前我們就對此已經(jīng)清楚了，只是我們還沒有將其與阿爾茨海默病的發(fā)生聯(lián)系起來?！?/p> Roses還介紹說，可以對523進(jìn)行進(jìn)一步的研究，來尋找阿爾茨海默的治療方法，以及用于評估該病的患病風(fēng)險。事實上，如果人的壽命足夠長，大部分人都會患上阿爾茨海默病，但只有25%的人攜帶APOE4等位基因。因此，利用APOE4基因?qū)疾★L(fēng)險進(jìn)行評估只能具有部分的參考意義。Roses提到，如果同時對TOMM40和APOE進(jìn)行基因分型檢測，那么就可以提供更豐富的信息。例如，他的小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，APOE3——到目前為止我們發(fā)現(xiàn)的人體內(nèi)最常見的APOE等位基因——通常具有非常短或者非常長的523非編碼片段。那些攜帶兩個APOE3等位基因的人，發(fā)病年齡與他們所攜帶的523到底是哪兩個有關(guān)。 也有其他實驗室的結(jié)果支持了Roses的假說，但都沒有成功復(fù)制他所發(fā)現(xiàn)的TOMM40基因。2012年，倫敦大學(xué)學(xué)院的Hardy及其同事，遺傳學(xué)家Rita Guerreiro共同撰寫發(fā)表了一篇評論，文中指出他們認(rèn)為TOMM40基因并不是獨(dú)立地影響阿爾茨海默病發(fā)病風(fēng)險的因素。 Roses對自己的假說并沒有因此動搖：他相信他可以最終證明自己的發(fā)現(xiàn)。他認(rèn)為全基因組研究無法重復(fù)他的實驗結(jié)果，并不能就此否定TOMM40基因與阿爾茨海默病之間的關(guān)聯(lián)。Khachaturian也提到，人們并沒有用合適的方法對更大樣本的患者進(jìn)行研究，來證實Roses的發(fā)現(xiàn)是否具有科學(xué)性。 Roses希望他能盡快帶著更多臨床數(shù)據(jù)重返他的研究，他還在達(dá)勒姆（Durham）開了一家叫做Zinfandel Pharmaceuticals的公司，公司的啟動資金部分來源于他自己的基金。Zinfandel Pharmaceuticals公司目前與位于日本大阪的武田制藥（Takeda）合作，正在進(jìn)行被稱為TOMMORROW的臨床III期試驗，在試驗中，Roses將把自己的想法付諸實踐。TOMMORROW項目預(yù)計將進(jìn)行五年，招募6,000名左右的健康老人作為志愿者。這個項目將對年齡、TOMM40和APOE與阿爾茨海默病的關(guān)系進(jìn)行評估。 該試驗還將研究低劑量的吡格列酮（pioglitazone）——已經(jīng)被批準(zhǔn)以高得多的劑量用于部分2型糖尿病患者——是否可以推遲那些具有高患病風(fēng)險的人的患病年齡。動物實驗和小規(guī)模人類試驗結(jié)果表明，吡格列酮有可能具有阻止或者逆轉(zhuǎn)阿爾茨海默病所導(dǎo)致的病理改變或者癥狀。Roses認(rèn)為這有可能也與促進(jìn)線粒體分裂有關(guān)。 持續(xù)進(jìn)行的試驗即使不能找到治愈疾病的方法，但還是可能帶來重要的成果：研究表明，如果人為介入能夠使阿爾茨海默病的發(fā)病推遲兩年，那么在50年后，全美國的患病人數(shù)將會減少200萬左右。此外，研究成果也將推動研究者們對癡呆癥的認(rèn)識進(jìn)行更新。Khachaturian說道，是時候認(rèn)識到，癡呆癥的本質(zhì)就是復(fù)雜的相互作用的生理系統(tǒng)的失調(diào)——即使那些和ApoE4相關(guān)的疾病——作為單獨(dú)因素也不可能全面解釋疾病發(fā)生所帶來的行為改變。他還說：“這個領(lǐng)域?qū)⒅饾u讓我們認(rèn)識到目前所掌握的方法的有限性，并且退一步思考。如果我們忠實于自己的內(nèi)心，我們就應(yīng)該明白是時候開啟新的方向了?！?/p>
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