研究详细描述了与遗传性痉挛性截瘫相关的神经元缺陷

莱斯大学生物化学家的一项研究揭示了神经细胞中的特定缺陷，这些缺陷是由两种已知导致遗传性痉挛性截瘫(HSP)的遗传缺陷引起的。这项研究发表于4月1日出版的“细胞科学杂志”，该研究首次展示了神经元的功能如何被特定的遗传缺陷所破坏，这些遗传缺陷已被证实可导致HSP，这是一组影响遗传性神经系统疾病。在美国约有20,000人。患有HSP的患者由于从大脑到脊柱传递信号的神经元的进行性恶化而患有腿和脚的麻木和虚弱，而且赖斯研究人员希望更好地了解HSP的根本原因可以改善治疗方法。

这项新研究源自于自2009年以来稻米生物化学家James McNew实验室开展的一系列关于HSP的突破性研究。这项新研究是与莱斯生物化学家Michael Stern的实验室合作完成的，涉及数千名研究人员。来自斯特恩集团的研究生Jimmy Summerville和来自McNew's的Joseph Faust进行了艰苦的实验。新研究的共同主要作者Summerville和Faust创造了数十种果蝇Drosophila melanogaster的突变菌株，其具有与已知会引起HSP的两种人类基因-arlastin和reticulon类似的基因。

通过选择性地改变果蝇中的基因，Summerville和Faust操纵了苍蝇神经细胞中产生的蛋白质atlastin和reticulon的数量。已知两种蛋白质在构建和维持内质网(ER)的结构框架中起作用。ER是一个由细管和薄片组成的互连网络，为细胞提供了许多关键功能。该研究强调了ER网络整体架构和结构的功能重要性。

“这项工作是基础的，我们现在在机械层面理解ER结构如何影响神经元发送信号的能力，”McNew说。“这在以前是未知的.ER是一种必不可少的细胞器。我们的细胞需要它才能正常运作，而这项研究表明ER的一些特定变化如何能够极大地影响神经元与肌肉交谈的方式。”HSP可能由超过70个基因的缺陷引起，但是atlastin基因的缺陷与多达10%的HSP病例有关。Reticulon缺陷也可能导致HSP，但这些基因导致神经系统问题的确切机制尚不清楚。

McNew几乎在十年前开始研究atlastin，2009年，他和Eugenio Medea科学研究所的意大利科学家Andrea Daga发现atlastin是一种融合蛋白，帮助将ER膜结合在一起。当时，科学家们知道atlastin与HSP有关，但它作为膜融合蛋白的作用完全出乎意料，因为膜融合蛋白相对稀少，并且都被认为以相同的方式运作。科学家们从未遇到过类似于atlastin的蛋白质，这是一种利用化学能驱动融合的酶。

“Atlastin与任何其他膜融合蛋白完全不同，所以我们必须从头开始确定它是如何起作用的，”McNew说。

基于其作为膜融合蛋白的作用，McNew及其同事假设atlastin是帮助在细胞中形成和维持健康ER网络的关键参与者。

在2009年发现之前，McNew的实验室使用酵母作为模型生物来研究其他融合蛋白。为了研究atlastin，他需要采用一种新的模式生物，即果蝇。幸运的是，McNew在赖斯的生物科学研究合作办公室就在斯特恩的隔壁，斯特恩是赖斯最着名的果蝇研究团体之一的领导者。两位研究人员和他们的研究生开始合作，McNew在2011年获得了美国国立卫生研究院的资助，以资助Summerville和Faust进行的实验，研究atlastin如何影响细胞水平的行为。

斯特恩说，网纹被扔进了混合物，因为它也被认为会影响ER的形状和结构，因为它有时会抵消atlastin。“一个做一件事，另一件做另一回事，”他说。“他们有点反对。”

Summerville和Faust首先创造了三个果蝇突变株：一个缺乏atlastin基因，另一个缺乏reticulon基因，第三个缺乏这两个基因。然后，他们通过添加能够以特定量和特定组织表达一种或多种缺失蛋白质的基因来创建每种类型的数十个子类别。他们还创建了一种在ER中表达荧光标签的新方法，以便他们可以检查果蝇神经细胞中产生的ER结构。特别是，它们集中在苍蝇体内最长的神经元上，细胞从头到尾伸展约2毫米。这些神经元类似于将脊髓连接到小腿的人类神经元，其直接位于已知在HSP患者中功能失调的皮质脊髓神经元的下游。

“这些神经元是人体中最长的细胞，”McNew说。“它们的长度可达一米或更长，而且假设长期存在，因为这些神经元长得太长，它们更容易受到因缺乏atlastin或reticulon而导致的ER缺陷的影响。

“事实上，这正是我们发现的。浮游生物突触中ER结构的成像发现，当atlastin被敲除时，ER的形状和外观发生了显着变化。在正常条件下，突触中的ER形成了一个篮子 - 就像形状一样，没有atlastin，那个结构完全缺失了，你只有弥散的ER材料，没有结构，“McNew说。

斯特恩说，“即使只是看到神经末梢内有一个复杂的ER结构，之前完全不知道。”

Summerville对电生理功能的测量也表明，具有这些畸形突触的神经元释放出激活附着肌肉所需的神经递质较少。

网状测试并不是决定性的。当没有网状结构时，观察到神经元功能明显减少，当蛋白质不存在时，研究小组无法辨别ER结构的视觉差异。斯特恩说，结构变化是如此微小，以至于它们可能只会出现在更强大的显微镜下。

斯特恩认为该项目的成功归功于萨默维尔和浮士德的决心和坚持。他说他们必须即兴发挥，部分是因为atlastin被证明是挑剔的操纵。

“通常情况下，在这样的敲除研究中，你会检查在负面情况下会发生什么，其中没有蛋白质存在，然后你进行基因操作以在特定组织中添加蛋白质。这通常导致过度表达，你有比正常人多两三倍或五倍的蛋白质，“斯特恩说。

但这种方法对于atlastin不起作用。Summerville发现，即使是最轻微的atlastin水平改变也常常导致苍蝇死亡，然后才能进行测试。

“我认为这在科学上很有意思，”斯特恩说。“这说明了一些关于atlastin的事情。但这也让Jimmy的生活变得非常困难，因为它拒绝让他使用科学家在做这类研究时认为理所当然的许多工具。”

虽然新论文揭示了尚未见到的神经元结构的某些方面，但Stern和McNew表示，他们希望他们的后续研究已经开始，在HSP运作的机制方面提供更加引人注目的结果。 。

“我认为这篇论文是一篇介绍性文章，”斯特恩说。“我们做了你需要做的表征来获得正在发生的事情的基础。这把它变成了科学，它为我们现在正在做的实验奠定了基础，这些实验旨在回答这个问题。蛋白质不仅在神经系统功能方面，而且在影响患有这种疾病的患者方面也是如此。“