Hv对SCA3/MJD细胞模型和转基因果蝇模型的保护作用研究

摘要

背景：
　　 遗传性脊髓小脑型共济失调(hereditary spinocerebellar ataxia,SCAs)是一类常见的神经系统遗传病，根据neuromuscualr website(http://neuromuscular.wustl.edu/ataxia/domatax.html)截止到2009年11月5日发布的信息，迄今至少已定位了30种基因型，其中18个疾病基因已被克隆。脊髓小脑型共济失调3型(spinocerebellar ataxia type3/Machado-Joseph disease,SCA3/MJD)为最常见的SCAs亚型，在中国人群中几乎占常染色体显性遗传脊髓小脑型共济失调的60％，其致病基因—MJD1基因编码区的3’端含有一段CAG三核苷酸重复序列，正常人重复次数约12-40次，而SCA3/MJD患者可达52-86次，且CAG异常重复次数越多，发病年龄越早，症状越严重。
　　 迄今为止已发现九种神经退行性疾病是由于致病基因开放阅读框(open reading frame,ORF)中CAG三核苷酸重复扩展突变所致，包括SCA1、SCA2、SCA3/MJD、SCA6、SCA7、SCA17，以及亨廷顿舞蹈病(huntington disease,HD)、脊髓延髓肌萎缩症(spinal andbulbar muscular atrophy,SBMA)、齿状核红核苍白球路易体萎缩症(dentatorubral-pallidoluysian atrophy, DRPLA)。该类疾病统称为多聚谷氨酰胺(polyglutamine,polyQ)疾病。目前有关polyQ疾病的发病机制尚未完全阐明，临床上亦缺乏有效的治疗。
　　 组蛋白乙酰化是一种翻译后修饰，能导致染色质结构及转录调控的改变。目前认为组蛋白乙酰化与去乙酰化水平在组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase,HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)的作用下保持着动态平衡，从而维持基因正常的转录调控功能。有研究表明组蛋白乙酰化水平降低可能是引起细胞毒性作用、促发polyQ疾病转录异常的关键步骤。国内外不少学者已经在体外证实组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitors,HDACIs)能够抑制polyQ蛋白的毒性作用，缓解HD、SBMA、DRPLA等的病情，延缓疾病进展。然而对于同样属于polyQ病的SCA3/MJD疾病，至今国内外尚未见有关运用HDACIs进行治疗的相关研究报道。
　　 Hv（因涉及到保密性问题，本实验研究中所运用的组蛋白去乙酰化酶抑制剂统一用“Hv”表示）属于HDACIs中的短链脂肪酸类，其半衰期长，毒副作用小，已在临床上用于治疗其他疾病多年。Hv除了通过抑制组蛋白去乙酰化而调节基因转录外，还可通过多条途径，如通过诱导热休克蛋白(heat shock protein,HSP)的表达来保护神经元等。而在前期工作中，本课题组成员已证实HSP22对SCA3/MJD转基因果蝇模型具有保护作用，因此我们选用HDACIs中的Hv来进行SCA3/MJD的治疗研究。
　　 目的：
　　 探讨Hv对SCA3/MJD细胞模型及转基因果蝇模型的保护作用及其机制，为临床上运用HDACIs治疗SCA3/MJD疾病提供科学的理论依据。
　　 方法：
　　 1.应用荧光显微镜技术了解Hv对SCA3/MJD细胞模型中异常蛋白聚集体的影响。
　　 2.运用Western-blot技术检测Hv对野生型、含polyQ扩展突变型ataxin-3蛋白及乙酰化组蛋白H3和H4表达水平的影响。
　　 3.应用PI/Annexin-V-FITC双染流式细胞仪技术分析Hv对SCA3/MJD细胞模型凋亡率的影响。
　　 4.利用GAL4/UAS系统构建在眼睛及神经系统表达致病蛋白的SCA3/MJD转基因果蝇模型。
　　 5.利用光学显微镜和扫描电镜观察Hv对SCA3/MJD转基因果蝇模型复眼的影响。
　　 6.通过表型观察，了解Hv对SCA3/MJD转基因果蝇模型爬行能力及寿命的影响。
　　 结果：
　　 1.野生型ataxin-3蛋白在细胞中呈弥散分布，而polyQ扩展突变型ataxin-3蛋白能在细胞中形成异常蛋白聚集体；不同剂量Hv干预后，polyQ扩展突变型SCA3/MJD细胞模型中异常蛋白聚集体阳性细胞率及polyQ扩展突变型ataxin-3蛋白的表达水平较其未给Hv干预对照组相比无明显变化。
　　 2.PI/Annexin V-FITC双染流式细胞仪结果显示：未予以Hv干预的空载体pEGFP-N1转染组及野生型pEGFP-N1-ataxin-3-20Q转染组细胞早期凋亡率无明显差异，而pEGFP-N1-ataxin-3-68Q转染组细胞的早期凋亡率明显高于空载体组及野生型组细胞；不同剂量的Hv干预polyQ扩展突变型SCA3/MJD细胞模型后，其早期细胞凋亡率明显下降，且剂量越大凋亡率下降越明显。
　　 3.Western-blot检测发现：未予以Hv干预的空载体pEGFP-N1转染组及野生型pEGFP-N1-ataxin-3-20Q转染组细胞中乙酰化组蛋白H3、H4表达水平无明显差别，而polyQ扩展突变型SCA3/MJD细胞模型中乙酰化组蛋白H3、H4表达水平低于空载体组和野生型组。不同剂量Hv干预后，随着Hv剂量的增加，polyQ扩展突变型SCA3/MJD细胞模型的乙酰化组蛋白H3、H4表达水平逐渐升高。
　　 4.利用GAL4/UAS系统分别构建了在果蝇眼睛和神经系统中以不同水平表达MJDtr-Q78蛋白的SCA3/MJD转基因果蝇模型。该模型表现为进行性的复眼结果破坏、色素脱失，爬行能力下降及寿命缩短，且其严重程度与MJDtr-Q78蛋白的表达量及表达部位有关。
　　 5.Hv干预SCA3/MJD转基因果蝇模型后，其复眼结构破坏及色素脱失好转，且Hv剂量越大，复眼改善越明显。
　　 6.Hv干预SCA3/MJD转基因果蝇模型后，其爬行能力得到一定程度的改善，且Hv剂量为1.0mM到1.5mM时爬行能力改善最明显。
　　 7.一定剂量的Hv(0.5mM)能延长SCA3/MJD转基因果蝇模型的寿命，而当Hv剂量过大时反而会缩短SCA3/MJD转基因果蝇模型及野生型果蝇的寿命。
　　 结论：
　　 1.进一步证实polyQ扩展突变能导致细胞内异常蛋白聚集体的形成，发现Hv不能减少SCA3/MJD细胞模型中异常蛋白聚集体的形成和ataxin-3蛋白的表达。
　　 2.进一步证实polyQ扩展突变能诱导细胞凋亡，发现Hv可抑制polyQ扩展突变型ataxin-3蛋白的细胞毒性作用，从而降低SCA3/MJD细胞的早期凋亡率。
　　 3.发现SCA3/MJD细胞模型中存在组蛋白H3、H4乙酰化水平的降低，而Hv可提高SCA3/MJD细胞模型的组蛋白H3、H4乙酰化水平。
　　 4.成功地构建了在果蝇眼睛和神经系统中以不同水平表达MJDtr-Q78蛋白的SCA3/MJD转基因果蝇模型，进一步证实扩展突变型polyQ蛋白的表达量及表达部位与SCA3/MJD转基因果蝇模型的表型及严重程度存在相关性。
　　 5.发现一定剂量的Hv能减轻SCA3/MJD转基因果蝇模型的复眼结构破坏与色素脱失，并能改善SCA3/MJD转基因果蝇模型的爬行能力和延长其寿命。即一定剂量的Hv在一定程度上具有保护SCA3/MJD转基因果蝇模型的作用。