Science子刊：神经发育缺陷引起少年帕金森病的最新证据

来源：中国生物技术网

帕金森病（PD）是一种常见的以黑质多巴胺神经元丢失为主要特征的神经退行性疾病，神经元内毒性的α-突触核蛋白（α-syn）聚集、线粒体功能障碍、囊泡运输缺陷、内溶酶体降解受损等是PD的基础病理特征【1】。

通常，我们认为PD是一种年龄相关的神经退行性疾病，然而神经发育方面也有可能贡献了PD发病机制，比如，携带有DNAJC6突变的PD患者在少年时期就发病了，他们大多数年龄为10岁或10岁以上，但是目前仍缺少发育方面的有力证据【3-4】。

那么，DNAJC6基因在PD发病机制中到底扮演何种角色呢？在于2021年2月17日以“Neurodevelopmental defects and neurodegenerative phenotypes in human brain organoids carrying Parkinson’s disease-linked DNAJC6 mutations”为在线发表在Science Advances上的最新研究论文中，韩国汉阳大学医学院的Sang-Hun Lee课题组和首尔国立大学医学院神经科学研究所的Seung-Jae Lee4课题组共同探究了这一问题，并发现了在携带有DNAJC6突变的PD患者大脑中存在神经发育缺陷和神经退行性表型，包括中脑多巴胺神经元发育异常，WNT-LMX1A信号通路调控不被中断等。

文章中，为了具体研究DNAJC6在PD中的致病作用，作者通过CRISPR-Cas9基因编辑技术，建立了带有DNAJC6突变的人类胚胎干细胞模型，并诱导其（突变型和野生型）向腹侧中脑类器官分化，腹侧中脑是PD主要受影响的大脑区域。结果发现，DNAJC6突变的腹侧中脑存在明显的发育缺陷（特别早期发育缺陷）：神经管结构不完整，以及多个发育相关基因的表达下调，包括LMX1A和EN1（两者皆为中脑多巴胺神经元早期发育的调控因子，前者为主要调控因子）、以及NURR1 (一种后期发育调控因子）等。而PD的主要特征就是多巴胺神经元的丢失，这提示了DNAJC6突变在PD中发病机制中的重要性。同时，作者也注意到，DNAJC6被突变后，其mRNA会变得不稳定，容易被降解，所以整体mRNA水平和蛋白水平都相对较低，这与之前的报道也是相一致的【3】。

为了进一步理解DNAJC6突变介导的发育缺陷的分子基础，作者进行了RNA测序分析。发现，DNAJC6突变引起的下调基因主要集中于WNT信号通路，即突变导致WNT信号通路受损。而WNT信号通路与中脑多巴胺神经元发育（特别是早期发育）密切相关【5】。WNT信号通路受损会进一步导致LMX1A和EN1的水平下降，并最终致使多巴胺神经元发育异常。特别地，作者也发现，LMX1A会发正反馈调控WNT信号通路：LMX1A水平降低会反过来引起WNT信号通路关键基因的水平降低，反之亦然。也就是说，DNAJC6突变会导致WINT-LAX1A信号通路的自身调控异常，而且DNAJC6突变背景下的这种自身调控异常会使多巴胺神经元的退化和死亡更加明显，也就意味神经元更容易遭受毒性的侵袭，更容易致使PD风险发生。

在携带DNAJC6突变体的晚期中脑类器官和神经干细胞中，可以明显检测到PD的一些病理特征，包括α-syn病变（如蛋白表达升高、水解异常、异常聚集等）、应激性标记物（如活性氧等）水平升高，以及线粒体功能障碍和自噬-溶酶体降解途径异常，线粒体功能障碍则有助于错误折叠α-syn的形成和氧化应激的产生，自噬-溶酶体降解途径异常或缺陷则无法正常降解、清除α-syn，致使α-syn异常聚集，并引起PD表型。当然，病理特征还包括突触囊泡循环缺陷和多巴胺释放减少等。

而当敲低DNAJC6时，也会有上述类似结果，包括神经管结构完整性受损、发育相关基因的表达下调，以及α-syn聚集等PD病理特征，这很可能是因为敲低DNAJC6或突变DNAJC6都会致使mRNA和蛋白两者皆维持在一个相对较低的水平。

文章最后，作者发现，提高DNAJC6的表达可以恢复WIN-LMX1A信号通路、改善中脑多巴胺神经元的发育、增强神经元的存活、挽救线粒体功能障碍、以及缓解其他PD表型。而当提高LMX1A的表达时，自噬-溶酶体降解途径异常并没有得到改善，这表明，DNAJC6基因在α-syn的非依赖于LMX1A的自噬-溶酶体降解中发挥着特殊作用。此外，作者观察到，DNAJC6突变还会导致皮层神经再生缺陷，这暗示，该突变或许会导致广泛的神经发育（或再生）缺陷，但在PD中，该突变主要导致中脑多巴胺神经元的发育和功能异常。

 DNAJC6突变（或缺失）引起PD致病信号通路总结

（图片引自：Wulansari et al., Sci. Adv. 2021; 7 : eabb1540）

文章结论与讨论

由于缺乏能够准确复制PD表型的动物模型，以及从患者身上获取样本的局限性，对于DNAJC6突变的幼年性或早发性PD的机制理解并不透彻【6】。该研究建立了人类DNAJC6-PD体外类器官疾病模型，且DNAJC6的早期发育突变（或缺失）会导致中脑多巴胺神经元易发生神经退行性变，并伴有多种PD表型、以及导致WINT-LMX1A信号通路的异常（上图）。

研究也发现，DNAJC6功能缺失导致线粒体功能障碍、以及自噬-溶酶体降解途径受损，继而导致异常折叠α-syn的产生和病理性α-syn的积累，进而致使神经元更容易受到毒性损伤（上图）。

尽管神经发育方面也被认为是PD发病机理的一个重要因素，但是缺乏有力的证据【3-4】。这项研究则很好地表明了发育缺陷可能是导致青少年期PD的关键因素。因此，在今后的相关工作中，特别是青少年或早期PD的机制研究、临床诊断、药物治疗等方面，神经发育方面是不可被忽视的（上图）。

原文连接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabb1540.full

参考文献（上下滑动查看）

【1】W. Poewe, K. Seppi, C. M. Tanner, G. M. Halliday, P. Brundin, J. Volkmann, A. E. Schrag, A. E. Lang, Parkinson disease. Nat. Rev. Dis. Primers. 3, 17013 (2017).

【2】E. Ungewickell, H. Ungewickell, S. E. Holstein, R. Lindner, K. Prasad, W. Barouch, B. Martin, L. E. Greene, E. Eisenberg, Role of auxilin in uncoating clathrin-coated vesicles. Nature 378, 632–635 (1995).

【3】S. Edvardson, Y. Cinnamon, A. Ta-Shma, A. Shaag, Y. I. Yim, S. Zenvirt, C. Jalas, S. Lesage, A. Brice, A. Taraboulos, K. H. Kaestner, L. E. Greene, O. Elpeleg, A deleterious mutation in DNAJC6 encoding the neuronal-specific clathrin-uncoating co-chaperone auxilin, is associated with juvenile parkinsonism. PLOS ONE 7, e36458 (2012).

【4】S. Olgiati, M. Quadri, M. Fang, J. P. Rood, J. A. Saute, H. F. Chien, C. G. Bouwkamp, Graafland, M. Minneboo, G. J. Breedveld, J. Zhang; International Parkinsonism Genetics Network, F. W. Verheijen, A. J. Boon, A. J. Kievit, L. B. Jardim, W. Mandemakers, E. R. Barbosa, C. R. Rieder, K. L. Leenders, J. Wang, V. Bonifati, DNAJC6 mutations associated with early-onset Parkinson's disease. Ann. Neurol. 79, 244–256 (2016).

【5】M. T. Alves dos Santos, M. P. Smidt, En1 and Wnt signaling in midbrain dopaminergic neuronal development. Neural Dev. 6, 23 (2011) Y. I. Yim, T. Sun, L. G. Wu, A. Raimondi, P. De Camilli, E. Eisenberg, L. E. Greene, Endocytosis and clathrin-uncoating defects at synapses of auxilin knockout mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 4412–4417 (2010).

【6】M. Decressac, N. Volakakis, A. Bjorklund, T. Perlmann, NURR1 in Parkinson disease—From pathogenesis to therapeutic potential. Nat. Rev. Neurol. 9, 629–636 (2013).