Distinct mismatch-repair complex genes set neuronal CAG-repeat expansion rate to drive selective pathogenesis in HD mice：揭示亨廷顿病发病机制的关键研究
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为探究错配修复（MMR）基因与亨廷顿病（HD）神经元发病机制的联系，研究人员对 9 个 HD 全基因组关联研究（GWAS）/MMR 基因进行测试。结果发现 Msh3 和 Pms1 基因可驱动 HD 易感神经元中 CAG 重复序列快速扩增，引发选择性发病。该研究为 HD 治疗提供新方向。
亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）是一种令人棘手的神经退行性疾病，主要在成年发病，无情地持续进展，目前还没有有效的治疗方法来改变疾病进程。它是由亨廷顿蛋白（Huntingtin，HTT）基因外显子 1 中的 CAG 重复序列扩增引起的，患者体内 CAG 重复序列通常在 40 次及以上，且重复次数与运动疾病诊断年龄呈负相关 。HD 的神经病理学特征十分显著，纹状体中等棘状神经元（medium-spiny neurons，MSNs）和皮质锥体神经元（cortical pyramidal neurons，CPNs）会选择性地大量退化，同时伴有星形胶质细胞增生，而且在受影响的神经元中会积累突变的 HTT（mHTT）蛋白聚集体，但这些聚集体在疾病中的具体作用还不清楚。
此前的全基因组关联研究（GWAS）虽然已经确定了一些与 HD 发病或进展相关的基因位点，其中部分位点包含错配修复（MMR）基因，但这些基因与 HD 神经元发病机制之间的联系尚不明确。为了深入了解这些机制，来自美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Cell》杂志上。
研究人员利用携带 140 个 CAG 重复序列的 HD 基因敲入小鼠模型（Q140 KI），对 9 个 HD GWAS/MMR 基因进行基因敲除（KO）实验。通过一系列实验，他们发现 Msh3 和 Pms1 基因在 HD 发病机制中起着关键作用。
在研究中，研究人员运用了多种技术方法。首先是基因编辑技术构建基因敲除小鼠模型，包括从公共资源库获取部分基因敲除小鼠品系，以及利用 CRISPR-Cas9 技术构建新的 Ccdc82 基因敲除品系；其次是高通量测序技术，如对敲除小鼠的纹状体和皮质组织进行批量 RNA 测序（RNA-seq）、单细胞核转录组测序（snRNA-seq）和染色质可及性测序（ATAC-seq） ；还使用了免疫组化染色和 RNAscope 技术检测相关蛋白和基因表达；以及通过荧光激活细胞核分选（FANS）技术纯化特定细胞进行分析。
下面来看看具体的研究结果：
- HD GWAS 基因 KO 突变体逆转 Q140 KI 小鼠纹状体转录失调：研究人员对多种 HD GWAS/MMR 基因敲除小鼠进行 RNA-seq 分析，发现 Msh3 和 Pms1 基因敲除能显著逆转 Q140 小鼠纹状体的转录组，Msh3 基因敲除的效果在 12 个月时更为明显，而其他一些基因敲除的影响较小。这表明 Msh3 和 Pms1 在调节纹状体转录方面起着重要作用。
- 单细胞核转录组学揭示 mHTT 的 MSN 选择性效应及 Msh3 突变体的校正作用：通过单细胞核转录组学分析，研究人员发现 Q140 小鼠的纹状体转录病变对 D1 - 和 D2-MSNs 具有高度选择性，Msh3 基因敲除可以剂量依赖性地预防这种缺陷，且不会引发明显的神经毒性或神经炎症特征。这进一步说明了 Msh3 在维持 MSN 正常功能中的重要性。
- Msh3 缺陷逆转 HD 小鼠纹状体神经元的开放染色质失调：利用 ATAC-seq 技术，研究人员发现 Msh3 缺陷可以逆转 Q140 小鼠纹状体神经元的开放染色质缺陷，并且确定了一些与 HD 神经元染色质和转录缺陷相关的特定染色质因子和状态，如多梳抑制复合物 PRC2 和 PRC1 相关的因子和状态 。
- MMR 基因是纹状体 MSN 选择性 mHtt 聚集的遗传驱动因素：研究人员通过实验观察到，Msh3 和 Pms1 基因敲除可显著减少或消除 Q140 小鼠纹状体中 mHtt 的聚集，而其他一些基因敲除则没有明显效果。这表明 Msh3 和 Pms1 在 mHtt 聚集过程中起着关键作用。
- Q140 中晚期皮质病理依赖于 Msh3：研究发现，Q140 小鼠的皮质病理发生较晚，且依赖于 Msh3 基因。Msh3 基因敲除可以减少或消除皮质中的 mHtt 聚集，并且这种聚集与转录病变的严重程度相关 。
- MMR 基因驱动 HD 小鼠纹状体和皮质组织中的 CAG 重复序列不稳定：分析发现，Msh3、Msh2 和 Pms1 基因敲除可降低 Q140 小鼠纹状体和肝脏中 CAG 重复序列的不稳定性，且这种不稳定性与转录病变的逆转呈负相关。这说明 MMR 基因对 CAG 重复序列的稳定性有重要影响。
- Q140 MSNs 中 CAG 扩增的线性速率及其对 Msh3 的依赖性：研究人员通过 FANS 技术纯化 MSN 细胞核，发现 Q140 MSNs 中 CAG 重复序列以相对同步的方式快速扩增，且这种扩增速率为 8.8 次 / 月，而 Msh3 基因剂量的减少可以显著降低或稳定这种扩增速率 。
- mHtt 聚集需要纹状体 MSNs 中 CAG 扩增超过阈值：研究表明，mHtt 聚集需要 CAG 扩增超过约 150 个重复的阈值，这为解释 HD 的发病机制提供了重要依据。
- 体细胞 CAG 重复长度和年龄在引发 HD 小鼠转录失调中的作用解析：研究发现，稳定的 140 CAG 重复序列也能引发转录失调，但体细胞 CAG 扩增会加速和加剧这种失调。此外，研究还确定了一些与 CAG 长度和年龄相关的差异表达基因，这些基因涉及多个生物学过程 。
- Msh3 缺陷逆转 HD Q140 小鼠的神经病理和运动缺陷：Msh3 基因缺陷可显著改善 Q140 小鼠的突触、星形胶质细胞和运动缺陷，表明 Msh3 基因在 HD 的神经病理和运动功能方面起着重要作用。
总的来说，该研究揭示了 Msh3 和 Pms1 等 HD GWAS/MMR 基因在 HD 发病机制中的关键作用，它们编码的错配修复复合物对 CAG 重复序列的稳定性、mHtt 聚集和转录病变至关重要。同时，研究还确定了 CAG 重复序列扩增的动力学以及与病理进展的定量关系，为 HD 的治疗提供了新的潜在靶点和生物标志物，具有重要的临床意义。未来的研究可以进一步探索这些基因的作用机制，并在 HD 患者中验证相关发现，有望为 HD 的治疗带来新的突破。
