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浙大最新Nature成果發現新的自身炎癥性疾病及其致病基因

發布時間:2019-12-13來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 吳雅蘭 盧紹慶0

每個星期總有幾天要發燒、從出生起大部分時間都在醫院度過……光是聽聽這樣的癥狀就讓人心疼。去年,復旦大學附屬兒科醫院就收治了一位這樣的小患者,兩歲多的孩子,在沒有感染的情況下,反復周期性發燒,伴有淋巴結腫大。醫生懷疑是一種遺傳病,但一直查不出具體原因。

不過,自從醫生在研究人員的建議下嘗試了新的治療方案,患兒的病情逐漸好轉,發燒頻率明顯下降。原來,懸而未決的病因找到了——浙江大學生命科學研究院周青研究員實驗室經過與醫院合力攻關,首次發現人類受體相互作用蛋白RIPK1變異可以導致自身炎癥性疾病??茖W研究揪出“幕后元兇”,臨床醫生對癥下藥,治療效果非常喜人,這著實讓人倍感欣慰。

在解析發病的分子機制過程中,周青課題組發現,病人體內的RIPK1基因發生突變,導致其編碼的RIPK1蛋白在蛋白酶Caspase-8的切割位點上發生氨基酸變化,使得RIPK1無法被正常切割,這樣的改變破壞了RIPK1正常的激活模式,使其活性增加,在某種程度上促進了細胞的凋亡和程序性壞死,由于細胞的“生死”平衡被打破,病人體內炎癥因子水平異常升高,并自發產生發燒等炎癥表型。這個致病機制為臨床提供了更加精準的個性化治療方案。同時,科研人員還發現病人不同種類的細胞對相同的RIPK1突變有不同的應對“措施”,提示人體的不同組織和細胞在相同基因型下可以表現出截然不同的表型,這一發現豐富了人類RIPK1在調節不同種類細胞死亡中的作用。

這項研究成果于20191212日(北京時間),被國際頂級期刊《自然》在線刊登。浙江大學周青課題組博士生陶攀峰、王俊和王詩豪博士為本文共同第一作者,浙江大學周青、俞曉敏、哈佛大學醫學院袁鈞瑛和復旦大學附屬兒科醫院王曉川為論文通訊作者。

不明原因的周期性發燒,可能是基因突變

很多自身炎癥性疾病是一類單基因的遺傳病,通常講來就是周期性、反復性的發燒伴隨皮疹、關節炎等癥狀。在國內的科室也有很多這樣的不明原因發燒病例,之前一般認為是感染引起的,很少與遺傳病聯系起來,所以在治療上以廣譜性抗生素類藥物為主,但是實際上并沒有效果。只有用激素治療才可以把炎癥和發燒控制住,然而激素一停,系統性炎癥與反復發燒又卷土重來。眾所周知,長期用激素治療對幼小的患兒的生長發育有一定的副作用。因此首先要意識到這類反復性發燒是自身炎癥性疾病,并且對這類自身炎癥性疾病進行遺傳診斷,才可以對病人進行更精準的對癥治療。

這次復旦大學附屬兒科醫院王曉川主任接診的患兒,在接受了全外顯子測序檢測后仍然無法確診病因,傳統的治療方法效果一直不理想。王曉川判斷,孩子很有可能患有自身炎癥性疾病,很可能發生了一個尚未被發現和闡明的新基因突變。于是,王曉川主任把這個患兒的基因組數據交給浙江大學生命科學研究院周青團隊重新解析。

周青團隊通過生物信息學分析后,很快發現患兒的RIPK1基因存在單堿基突變,導致其編碼的RIPK1蛋白在蛋白酶Caspase-8的切割位點發生氨基酸變化,影響其被Caspase-8的正常切割。RIPK1是受體相互作用蛋白(RIP)激酶家族的一員,參與了決定細胞“生死存亡”的多種重要信號通路,其激酶活性在RIPK1依賴的細胞凋亡和細胞程序性壞死進程中發揮重要的調節作用。

全外顯子數據分析找到致病基因RIPK1

之前《Cell death & disease》就報道過小鼠RIPK1突變會導致胚胎期死亡。20199月《自然》雜志也有一篇報道認為小鼠RIPK1蛋白的切割對抑制細胞凋亡和壞死起重要作用。然而,人類RIPK1該切割位點發生變異對控制細胞程序性死亡的重要信號通路和人類健康的影響還未有報道。

周青說:“這個基因該位點的突變在小鼠中已有研究,可以為我們研究該基因的致病機制提供重要線索,但是在人體中是什么樣的表型,還是要具體問題具體分析?!比祟?/span>RIPK1的突變會對相關信號通路帶來哪些變化?這些變化是如何影響人類健康的呢?課題組由此開展深入研究。

整容”逃脫的RIPK1,引起細胞死亡慘案

原來,并不是任何形式的RIPK1蛋白都能夠促進細胞凋亡和細胞程序性壞死。在正常情況下,這種蛋白會被切割,不會引起炎癥反應;而無法被正常切割的RIPK1蛋白會引起自身激酶活性的提高,進而導致其介導的細胞凋亡、細胞程序性壞死增加,引起炎癥因子的釋放,導致炎癥反應。

正所謂打蛇打七寸,要切割RIPK1蛋白這根“導火線”也必須精準到切割位點。RIPK1蛋白中間結構域中有一個蛋白酶Caspase-8的切割位點,RIPK1就是在這個關鍵的“點”被切割成為兩個短片段,不再具有激酶活性。

正常人中,全長的和切割的RIPK1并存,所以并不會發生健康問題。而在RIPK1發生突變的病人體內,全長的RIPK1蛋白比例提高,切割的RIPK1減少了。為什么會發生這種變化呢?在對致病機制的研究中,課題組發現患者體內的RIPK1蛋白在這個位點發生了氨基酸突變,使得原本應該被切割的它“毫發無損”,仍然處于全長蛋白狀態,就像做了個整容術,“切割機”認不出來也就無從下手了。

這種新型自身炎性疾病的發病機制是一個惡性循環?!敝芮嗾f,由于發生基因突變導致RIPK1蛋白無法被蛋白酶精準定位切割,這樣一來,它就持續處于激活的狀態,導致更多細胞的凋亡和壞死,而細胞的凋亡與壞死可激活炎癥因子的釋放,增加的炎癥因子又進一步促進了細胞的死亡。

研究人員在對病人的血清和外周血單核細胞研究中,均發現了較高水平的炎癥因子?!?/span>IL-6、TNF這些炎癥因子都超級高,特別是病人發燒的時候?!蓖瑯釉诶鲜蠹毎幸舶l現,攜帶有RIPK1該位點突變的小鼠細胞對刺激更敏感,會釋放更高水平的炎癥因子,同時更趨向于細胞死亡。

如果只有一個病例,周青還不敢貿然下結論。就在這時她收到了來自加拿大的一個患有相似疾病表型的家系:35歲的媽媽和她的三個兒子,患有不明原因的反復發燒,伴有淋巴結腫大、肝脾腫大等。而他們全外顯子測序數據的分析結果顯示該家系的RIPK1基因也攜帶有相同位點的突變?!皬奈覀儗蓚€家系基因組數據分析和功能實驗結果來看,都證明了RIPK1因為該位點的獲得功能性突變導致了疾病?!?/span>

兩個患病家系及臨床表型

同時,課題組在研究中還意外地發現病人皮膚成纖維細胞對于不同種類的細胞死亡都有較高程度的抵抗作用。研究進一步發現,皮膚成纖維細胞內,RIPK1、TNFR1等蛋白表達水平明顯下調,細胞內的還原性谷胱甘肽(GSH)含量高,活性氧(ROS)含量低,這些變化部分解釋了細胞對不同死亡形式的抵抗。這一現象提示病人成纖維細胞為應對RIPK1變異導致的對多種刺激的高敏感性發展出多種補償機制來維持機體穩態。

罕見病”并不罕見

論文的專家評審意見認為,這項研究很新穎,對理解人類細胞死亡的調控意義重大,還特別提到該項研究的臨床治療非常有價值。

目前,對于治療自身炎癥疾病針對不同的炎癥反應通路,已經研發出多種不同的生物抑制劑。如果能夠確定是哪種炎癥因子或者哪條炎癥信號通路引起的疾病,對臨床醫生來說,意味著能夠更加有的放矢,對癥下藥。

在這項研究中,科研人員表發現炎癥因子IL-6在病人體內大量表達及其引發機制,于是在臨床中建議使用針對IL-6受體的抑制劑,“我們在研究中已經明確病人體內存在IL-6的激增及其原因,這種高濃度的炎癥因子勢必會引起高水平的炎癥反應,因此建議臨床上可以采取IL-6受體抑制劑進行治療?!?/span>

于是復旦大學附屬兒科醫院王曉川教授對患兒開始使用IL-6受體抑制劑,很快,患兒的癥狀得到明顯好轉?!罢且驗閷膊C理的深度研究,才可以更加精準地用藥?!?/span>

自身炎癥性疾病雖然是罕見病,但其實也有相對龐大的群體。周青介紹她之前做的另一項DADA2病例研究,剛開始只有9個病人,但是論文發表后,全世界各地相繼發現報道的病例有四百多例?!鞍凑掌浠蛑虏⊥蛔兾稽c在中國人群的頻率推算,可能有將近幾十萬病人?!?/span>

面對龐大的病人群體,探究人類遺傳病致病基因和解析致病機理的科研任務重大而緊急。在層出不窮的“基因奧秘”面前,不僅需要有頂尖的技術支持,更需要社會多方面的聯合力量,共同推動科研和臨床的發展,造福更多被自身炎癥性疾病折磨的病人。

該研究受到國家重點研發計劃重點專項項目(2018YFC1004903)、國家自然科學基金面上項目(31771548、81971528)、浙江省杰出青年項目(LR19H100001)和浙江大學基本科研業務專項(2018QN81009)的支持。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1830-y

(文 柯溢能 吳雅蘭/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供)

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