亨廷顿病中 PRC1 介导的表观遗传加速衰老机制：为神经退行性疾病研究带来新曙光

亨廷顿病（HD）是一种遗传的神经退行性疾病，其发病机制尚不明晰。为探究 HD 中神经元脆弱性的分子机制，研究人员利用细胞特异性多组学技术研究 HD 小鼠纹状体的表观基因组景观，发现 PRC1 介导的表观遗传加速衰老，为理解 HD 发病机制提供关键线索。

　　在生命的长河中，衰老就像一把无形的刻刀，在细胞的 “画布” 上留下痕迹。而在亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）患者的身体里，这把刻刀似乎变得更加锋利和急促。HD 是一种令人痛心的遗传、渐进性神经退行性疾病，它通常在中年时期悄然现身，带来一系列运动、认知和精神症状，无情地侵蚀着患者的生活质量，这些症状会在 10 - 15 年内不断恶化，而一些细微的迹象甚至可能在几十年前就已悄然出现。其病因是亨廷顿蛋白（Huntingtin，HTT）基因中 CAG 三核苷酸重复序列的异常扩增，产生了带有多聚谷氨酰胺扩张（polyQ）的突变 HTT 蛋白。在 HD 的发展过程中，纹状体中的特定神经元，尤其是直接和间接棘状投射神经元（direct and indirect spiny projection neurons，dSPN 和 iSPN），这些神经元占纹状体神经元的 95% 以上，却对 HD 突变异常敏感，然而它们脆弱性的分子机制一直如同迷雾般难以捉摸。

同时，细胞衰老与表观遗传改变密切相关。随着年龄的增长，细胞中的表观遗传信息逐渐流失，就像书本上的字迹慢慢褪色，这会导致细胞身份的丧失，引发一系列问题。在这个过程中，组蛋白修饰起着关键作用，比如活跃标记 H3K27 乙酰化（H3K27ac）和抑制标记 H3K27 三甲基化（H3K27me³）等，它们的变化可以反映细胞的分化状态。此前对 HD 纹状体组织的表观基因组分析发现，在纹状体超级增强子（super - enhancer，一种调控细胞身份基因的广泛增强子）处 H3K27ac 早期缺失，这会导致其靶基因（纹状体身份基因）的转录下调。但由于早期分析缺乏细胞和时间分辨率，HD 脆弱神经元是否经历加速的表观遗传衰老，特别是发育基因的加速去抑制，仍然是一个未解之谜。

为了揭开这些谜团，来自法国斯特拉斯堡的多个研究机构（Laboratoire de Neurosciences Cognitives et Adaptatives（LNCA）、Centre National de la Recherche Scientifique（CNRS，UMR 7364）、University of Strasbourg 等）的研究人员踏上了探索之旅。他们开展了一项深入的研究，旨在揭示 HD 中神经元脆弱性的分子机制。

研究人员利用两种参考 HD 小鼠模型（R6/1 转基因和 Q140 敲入（KI）小鼠），这两种小鼠有着不同的疾病进展过程，就像是两条不同的 “疾病轨道”。通过荧光激活细胞核分选（fluorescence - activated nuclei sorting，FANS）技术，结合染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）或切割标签（CUT&Tag）技术，对纹状体中的神经元和非神经元细胞进行了详细的剖析。他们在不同年龄段（对应 HD Q140 小鼠的前驱期、早期和晚期病理阶段）进行时间序列分析，重点研究 H3K27me³、组蛋白乙酰化标记（如 H3K27ac、H3K9ac、H3K18ac）以及 H2AK119 泛素化（H2AK119ub）等表观遗传标记，因为这些标记在 HD 纹状体神经元中可能起着关键作用。

研究结果令人瞩目：

• 发育基因在 HD 纹状体神经元中去抑制：研究人员对 15 - 20 周龄有症状的 HD R6/1 转基因小鼠和对照小鼠纹状体组织的 NeuN⁺和 NeuN^-细胞核进行 ChIP - seq 或 CUT&Tag 分析。结果发现，R6/1 纹状体神经元中，神经元特异性增强子和受超级增强子调控的 SPN 身份基因（如 Drd2、Drd1）处的 H3K27ac 信号减少，同时 H3K27me³水平增加，且这种变化在神经元中特异性出现，非神经元细胞中则不明显。进一步的差异分析显示，HD 小鼠神经元中存在数千个 H3K27ac 差异富集区域（DER），而在非神经元细胞中则很少。功能富集分析表明，R6/1 与野生型（WT）纹状体神经元中 H3K27me³缺失的基因，在神经元发育和分化相关的生物学过程中显著富集，并且这些基因受 PRC1 和 PRC2 调控，具有双价特征（即同时富集 H3K27me³和 H3K4me³）。此外，HD 神经元中 H3K27ac 增加的基因也显示出发育特征。研究还发现，HD 小鼠中与神经发育相关的 125 个基因发生了组蛋白重新乙酰化，这些基因在 dSPN 和 iSPN 中显著上调，表明 HD 基因导致了脆弱神经元中身份基因的异染色质化和发育基因的常染色质化，这与衰老相关的表观遗传信息丢失相似。
• 双价启动子在 HD 纹状体神经元中去抑制：研究人员通过对纹状体 H3K4me³和 H3K27me³ChIP - seq 数据进行 kmeans 聚类分析，发现双价簇中富含 PRC1/PRC2 调控的发育基因，如 Onecut1、Pax6 和 Runx2。元分析显示，R6/1 与 WT 纹状体神经元相比，双价基因启动子处 H3K27me³选择性减少，组蛋白乙酰化增加，表明 HD 脆弱神经元中双价基因发生了特异性的常染色质化。整合转录组数据进一步证实，HD 小鼠和 HD 患者中大多数双价基因转录去抑制，特别是在 iSPN 中。
• PRC1 - CBX 基因在 HD 小鼠纹状体神经元中发生旁系同源物转换：研究发现，HD 小鼠纹状体中 PRC1 和 PRC2 的亚基多梳蛋白（PcG）的调节发生改变。EZH1（在纹状体神经元中催化 H3K27me³的主要酶亚基）在 HD 小鼠纹状体中蛋白和 mRNA 水平均略有降低，表明 PRC2 活性受损可能有助于 HD 脆弱神经元中双价基因的去抑制，但其他 PRC2 亚基变化并不一致。有趣的是，R6/1 与 WT 纹状体神经元相比，染色质松弛增加最显著的区域位于包含 PRC1 Cbx2/4/8 旁系同源基因的基因组区域。Cbx2、Cbx4 和 Cbx8 在分化细胞中表达，在成熟纹状体神经元中表达较低，而在 HD 小鼠中，这些基因的表达上调，蛋白水平也增加。相反，Cbx6 和 Cbx7 在成熟 SPN 中高度表达，是这些神经元中主要的 PRC1 CBX 蛋白，但在 HD 小鼠中表达下调。时间转录组和蛋白质组数据显示，HD 小鼠中存在年龄依赖性的 Cbx4 和 Cbx8 增加以及 Cbx6 和 Cbx7 减少，表明 PRC1 - CBX 旁系同源物发生转换，这种转换可能与 HD 纹状体神经元中发育基因的去抑制有关。
• H2AK119ub 在 HD 小鼠纹状体双价启动子亚群中缺失：研究人员对 R6/1 和 WT 小鼠纹状体组织进行 H2AK119ub ChIP - seq 分析，发现 HD R6/1 小鼠纹状体中 H2AK119ub 失调，H2AK119ub 缺失区域多于富集区域。对双价启动子的研究发现，H2AK119ub 在与神经发育转录因子相关的基因簇 1 启动子处特异性降低，而 H3K27me³的减少在两个基因簇中相似，H3K27ac 的增加在两个基因簇中也相似。整合转录组数据显示，基因簇 1 中的基因在 HD 小鼠 iSPN 中有上调趋势，表明 HD 脆弱神经元中 PRC1 活性受损可能驱动发育转录因子的去抑制，从而控制神经元命运。
• 发育基因的去抑制是 HD 小鼠纹状体神经元中加速的衰老特征：研究人员利用 HD Q140 KI 和 WT 小鼠纹状体神经元核进行 H3K27ac 和 H3K27me³ CUT&Tag 分析，发现随着时间推移，HD 小鼠中差异富集区域（DER）增加，特别是在 10 个月时 H3K27ac 和 6 个月时 H3K27me³变化显著。功能富集分析表明，HD KI 与 WT 小鼠中 H3K27ac 富集区域和 H3K27me³缺失区域均显示出显著的发育特征。计算结合 H3K27ac 和 H3K27me³信号的常染色质评分（euchromatin score）发现，HD 小鼠中发育转录因子的常染色质化加速，这与转录激活加速相关，且常染色质评分可作为衡量 HD 纹状体神经元表观遗传年龄的指标，表明 HD 脆弱神经元的表观遗传年龄加速。此外，研究还发现 PRC1 - CBX 旁系同源物转换在 HD 加速表观遗传侵蚀中可能具有特定作用。
• HD 小鼠纹状体神经元中应激反应的表观遗传调控异常：通过共表达模块分析，研究人员发现 M4 基因模块与应激反应相关。在 HD KI 小鼠纹状体神经元中，M4 基因的常染色质评分随年龄增长而降低，而在 WT 小鼠中则在 6 个月时达到峰值。功能富集分析表明，M4 基因的主要转录调节因子是应激反应的主要驱动因素，且在 HD 小鼠纹状体神经元中转录失调。抗衰老转录因子 Glis1 是 M4 基因之一，在 WT 纹状体神经元中随时间去抑制，而在 HD KI 小鼠中这种去抑制被抑制，导致其表达降低。Glis1 在 dSPN 中表达较低，且在 HD 小鼠 dSPN 中特异性下调，表明 Glis1 介导的抗衰老反应在 HD 纹状体神经元衰老过程中减弱，可能导致 SPN 对 HD 基因的高敏感性。

研究结论和讨论部分表明，该研究通过细胞类型特异性和时间序列的组蛋白修饰分析，揭示了 HD 脆弱神经元中表观遗传信息的加速侵蚀，促进了细胞身份的丧失。发育基因在 HD 纹状体神经元中加速去抑制，这是由于多梳蛋白介导的组蛋白标记（如 H3K27me³和 H2AK119ub）减少以及组蛋白乙酰化增加所致。研究还发现 PRC1 - CBX 基因的旁系同源物转换促进了未成熟神经元中 PRC1 - CBX 的化学计量比，首次将 PRC1 与表观遗传衰老联系起来。此外，研究定义的基于 H3K27ac/H3K27me³的常染色质评分可作为衰老指标，揭示了 HD 纹状体神经元中应激反应基因随时间的异常轨迹，并确定了抗衰老人 GLIS1 因子，可能与 SPN 的内在和 HD 基因介导的脆弱性有关。这些发现为对抗 HD 提供了新的概念框架，突出了表观遗传衰老在该疾病中的重要作用。虽然由于人类数据的稀缺，难以将结果直接推广到人类，但已有研究表明类似机制可能在人类中存在，并且与其他神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）可能存在共同的表观遗传基础。

该研究主要用到的关键技术方法有：利用 R6/1 转基因和 Q140 敲入（KI）小鼠模型，通过荧光激活细胞核分选（FANS）技术分离纹状体中的神经元和非神经元细胞核，结合染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）和切割标签（CUT&Tag）技术对不同组蛋白修饰进行分析，还运用了 RNA 测序（RNAseq）、蛋白质表达分析、免疫组织化学分析等技术，并通过生物信息学方法对数据进行处理和分析。