腺苷脱氨酶介导的嘌呤功能障碍导致散发性肌萎缩侧索硬化症中的DNA修复抑制与细胞衰老

《International Journal of Molecular Sciences》：Adenosine Deaminase-Mediated Purine Dysfunction Leads to DNA Repair Inhibition and Senescence in Sporadic Amyotrophic Lateral Sclerosis

　　

肌萎缩侧索硬化症是一种神经退行性疾病，其特征是运动神经元死亡，通常在症状出现后3-5年内导致瘫痪和死亡。肌萎缩侧索硬化症是一种细胞自主性和非细胞自主性疾病，星形胶质细胞等胶质细胞会影响疾病病理和进展。研究人员所在实验室先前已在来自散发性肌萎缩侧索硬化症的诱导神经祖细胞源性星形胶质细胞中发现了由腺苷脱氨酶缺失驱动的嘌呤代谢功能障碍。在此，研究人员证明了腺苷脱氨酶的缺失，以及外切-5'-核苷酸酶和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的变化，导致了嘌呤代谢物水平的紊乱，这与腺苷脱氨酶的水平相关。这些改变在散发性肌萎缩侧索硬化症的脑脊液和死后组织中得以重现，其中衰老和性别影响了腺苷脱氨酶下游的嘌呤代谢物水平，并与疾病进展呈正相关。腺苷脱氨酶的缺失导致53BP1介导的DNA修复减少和P16水平升高，这在对照星形胶质细胞中通过抑制腺苷脱氨酶得以重现。研究人员的发现表明，TDP43功能障碍在体外驱动了腺苷脱氨酶介导的嘌呤代谢损伤，从而导致包括DNA损伤在内的下游效应，这可能是通过抑制DNA修复机制和诱导细胞衰老实现的。此外，这些结果表明，针对腺苷脱氨酶通路的治疗可能有助于减缓肌萎缩侧索硬化症的疾病进展。

论文解读文章

研究背景与目的

肌萎缩侧索硬化症是一种以运动神经元进行性死亡为特征的致命性神经退行性疾病，多数患者在发病后3-5年内因呼吸衰竭死亡。该病不仅涉及运动神经元自身病变，也是一种非细胞自主性疾病，其中星形胶质细胞等胶质细胞在疾病进程中发挥关键的毒性作用。此前，研究人员已发现，无论是家族性C9orf72型还是散发性肌萎缩侧索硬化症患者来源的诱导神经祖细胞源性星形胶质细胞，均表现出腺苷脱氨酶活性降低，导致其代谢底物腺苷的能力下降。然而，对于散发性肌萎缩侧索硬化症中腺苷脱氨酶缺失的下游功能性后果、其上游致病因素，以及这些体外发现能否在患者组织和体液中得到验证，尚不清楚。因此，本研究旨在系统阐明散发性肌萎缩侧索硬化症中腺苷脱氨酶缺失所导致的嘌呤代谢紊乱及其下游的生物学后果，并探究其与TDP43病理的可能联系。

研究方法概述

本研究综合运用多种技术手段。首先，利用从皮肤活检组织重编程获得的诱导神经祖细胞并分化为星形胶质细胞的体外模型，通过免疫印迹和实时定量聚合酶链式反应检测嘌呤代谢关键酶的表达；采用液相色谱-质谱联用技术结合脱氧核糖核苷三磷酸测定法分析嘌呤代谢物谱。其次，在包含81例散发性肌萎缩侧索硬化症患者和年龄/性别匹配的健康对照者的脑脊液和血浆样本队列中，利用超高效液相色谱-串联质谱法验证上述发现。此外，还使用了散发性肌萎缩侧索硬化症患者的死后运动皮层灰质和白质组织样本进行蛋白水平分析。最后，通过亚砷酸钠处理SH-SY5Y细胞建立TDP43聚集模型，以及利用TDP43果蝇模型，探讨TDP43病理与腺苷脱氨酶之间的因果关系。

研究结果

2.1. 腺苷脱氨酶缺失导致散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes中的嘌呤代谢改变

研究人员发现，除了腺苷脱氨酶减少外，散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes中外切-5'-核苷酸酶和次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖转移酶的蛋白和RNA水平也显著降低。功能上，散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes的嘌呤代谢异常程度介于对照组和C9orf72-iAstrocytes之间，且这种异常的严重程度与腺苷脱氨酶水平呈负相关，即腺苷脱氨酶水平越低，表型越严重。

2.2. 腺苷脱氨酶介导的嘌呤代谢改变在散发性肌萎缩侧索硬化症脑脊液和死后组织中明显，并与疾病进展相关

在散发性肌萎缩侧索硬化症患者脑脊液中，腺苷脱氨酶下游的嘌呤代谢物（如次黄嘌呤和黄嘌呤）水平与死亡年龄呈正相关，且此关联在女性患者中更为显著。更重要的是，在女性患者中，脑脊液中肌苷、次黄嘌呤和黄嘌呤水平与病程长度呈正相关，提示较高的嘌呤代谢物水平可能与较慢的疾病进展有关。相反，血浆中的嘌呤代谢物水平则与死亡年龄呈负相关，主要由男性患者驱动。在死后运动皮层白质中，腺苷脱氨酶水平与死亡年龄和发病年龄呈正相关。

2.3. 转录因子失调并非散发性-iAstrocytes中腺苷脱氨酶水平降低的原因

研究人员排除了p63和p73等已知调控腺苷脱氨酶基因的转录因子在蛋白或RNA水平上的显著变化，表明转录因子失调不是导致散发性肌萎缩侧索硬化症中腺苷脱氨酶降低的主要原因。

2.4. TDP43病理与散发性-iAstrocytes中腺苷脱氨酶水平降低有关

研究显示，散发性肌萎缩侧索硬化症和C9orf72-iAstrocytes均存在TDP43病理特征，表现为全长TDP43减少和TDP35片段增加。重要的是，腺苷脱氨酶水平与TDP43:TDP35比值呈一定相关性，且在无TDP43病理的SOD1-iAstrocytes中未观察到腺苷脱氨酶缺失。进一步地，在SH-SY5Y细胞中通过亚砷酸盐处理诱导TDP43聚集，可导致腺苷脱氨酶蛋白和mRNA水平特异性下降。然而，在TDP43果蝇模型中并未观察到腺苷脱氨酶水平的改变。

2.5. 腺苷脱氨酶活性保护散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes免受P53介导的衰老和DNA损伤

研究人员发现，散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes呈现晚期衰老表型，表现为p16水平显著升高。通过使用脱氧腺苷刺激并联合腺苷脱氨酶抑制剂喷司他丁处理对照-iAstrocytes，可以模拟出散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes中升高的p16水平，证明该现象是由腺苷脱氨酶缺失介导的嘌呤代谢紊乱所致。在DNA损伤方面，散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes在基础状态下53BP1阳性细胞比例降低，表明DNA修复能力受损。当用脱氧腺苷和喷司他丁处理时，对照-iAstrocytes的53BP1水平下降至散发性肌萎缩侧索硬化症水平，而散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes的γH2AX阳性细胞比例显著增加，表明其对DNA损伤更加易感。

讨论与结论

本研究在前期工作基础上，证实了散发性肌萎缩侧索硬化症-iAstrocytes中腺苷脱氨酶缺失会导致嘌呤代谢网络广泛紊乱，这一现象不仅在体外模型中存在，也在患者脑脊液和死后组织中得到了验证。研究结果强烈提示，TDP43功能障碍是导致腺苷脱氨酶缺失的上游原因之一，进而引发一系列下游事件，包括DNA修复抑制和细胞衰老。特别是，研究首次揭示了脑脊液中较高的腺苷脱氨酶下游嘌呤代谢物水平与女性患者更长的生存期相关，提示靶向中枢神经系统的腺苷脱氨酶-嘌呤代谢/补救通路可能成为延缓肌萎缩侧索硬化症进展的有效治疗策略，且该效应受到年龄和性别的影响。尽管在果蝇模型中未能完全复现，但体外实验证据有力地支持了TDP43病理与腺苷脱氨酶缺失之间的联系。未来的研究需进一步阐明TDP43导致腺苷脱氨酶缺失的具体分子机制，以及这些机制如何影响嘌呤代谢、补救途径和从头合成途径。