復旦大學魯伯塤、丁澦、費義艷團隊合作研發亨廷頓病潛在新藥

魯伯塤教授和學生

丁澦副教授和學生

費義艷副研究員和學生

亨廷頓病（或稱亨廷頓舞蹈症）位列四大神經退行性疾病之一，臨床表現為不自主的舞蹈樣動作、認知障礙、精神異常等症狀。由於引起該病的變異亨廷頓蛋白（mHTT）生化活性未知，無法靶向，傳統依靠阻斷劑以阻斷致病蛋白活性的方法並不適用。

近日，復旦大學生命科學學院魯伯塤與丁澦課題組（醫學神經生物學國家重點實驗室、腦科學教育部前沿科學中心）和復旦大學信息科學與工程學院光科學與工程系費義艷課題組（微納光子結構教育部重點實驗室）等多學科團隊通力合作，開創性地提出基於自噬小體綁定化合物（ATTEC）的藥物研發原創概念，並巧妙地通過基於化合物晶片和前沿光學方法的篩選，發現了特異性降低亨廷頓病致病蛋白的小分子化合物，有望為亨廷頓病的臨床治療帶來新曙光。

北京時間10月31日凌晨，相關研究成果《HTT-LC3連接化合物對變異HTT蛋白的等位基因選擇性降低》（「Allele-selective Lowering of Mutant HTT Protein by HTT-LC3 Linker Compounds」）以長文(Article)形式發表於《自然》（Nature）主刊。魯伯塤、費義艷和丁澦為該論文通訊作者，復旦大學博士生李朝陽、王岑、王紫英和朱成鋼為第一作者。該研究工作受到了國家自然科學基金委以及國家科技部等多個項目的資助。

▍開闢新思路：「小分子膠水」助力細胞自噬「吞沒」致病蛋白

既然運用阻斷劑阻斷或抑制致病蛋白的傳統道路行不通，團隊另闢蹊徑，著眼於駕馭細胞自噬這一細胞內蛋白降解途徑以有效降低變異亨廷頓蛋白水平。在自噬過程中，關鍵蛋白LC3被脂化後聚合擴增，形成膜結構，並將蛋白、脂類、細胞器等降解目標包裹於其中，形成完整的自噬小體（autophagosome），與溶酶體融合後，其中包裹的物質得以降解。

以致病蛋白mHTT為例，該細胞自噬過程簡單示意圖

然而，自噬的降解功能強大，若自噬功能整體增強而缺乏特異性，會降解所有包裹進自噬小體的蛋白，這樣一來，承擔著神經保護功能的正常野生型亨廷頓蛋白以及其它發揮重要功能的蛋白也易被「誤吞」。傷敵一千，卻自損八百，並非理想之策。

如何在排除野生型亨廷頓蛋白的情況下，特異性地綁定致病蛋白進入自噬小體？團隊設想發明一種小分子綁定化合物ATTEC （Autophagosome Tethering Compounds），或稱之為「小分子膠水」，能夠直瞄靶心，牢牢地將LC3及致病蛋白（或其他致病物質）黏在一起，進而將致病蛋白包裹進入自噬小體進行降解。同時，「小分子膠水」並不黏附野生型亨廷頓蛋白，使其得以安然無恙。經過篩選、純化及系列細胞實驗後，團隊共獲四個符合要求的理想化合物。

發光的小分子膠水連接了致病蛋白mHTT（藍色）和自噬小體蛋白（紫色），將其帶入自噬小體進一步降解

至此，研究所得分子已具備滿足理想條件的理論可行性，而是否可適用於動物細胞和人體細胞，通過給藥達到預期功效，則需進一步研究驗證。

團隊發現，這四個化合物在小鼠神經元、亨廷頓病病人細胞以及亨廷頓病果蠅模型中，均可顯著降低變異亨廷頓蛋白水平，而對野生型亨廷頓蛋白水平幾乎沒有影響，且起效濃度在納摩爾級別（~10 nM）。更令團隊感到驚喜的是，「這四種化合物中有至少兩種，可以跨過血腦屏障，並通過低劑量腹腔給藥直接降低亨廷頓病小鼠的大腦皮層及紋狀體的變異亨廷頓蛋白水平，而不影響腦組織中的野生型亨廷頓蛋白水平，也改善了疾病相關的表型，為亨廷頓病口服或注射藥物的研發提供了切入點。」魯伯塤介紹道。

▍學科新交叉：小分子晶片和光學檢測技術實現高通量篩選

事實上，此類「小分子膠水」並不好找。若逐一對數千種化合物進行細胞分析檢驗，以從中甄別出符合理想性狀的幾種目標分子，無疑如大海撈針，這也一度成為團隊研究道路上的一大障礙。

而信息科學與工程學院光科學與工程系費義艷課題組的加盟則為「小分子膠水」的發現帶來了新的可能。該課題組發展了基於小分子晶片（Small Molecule Microarray, SMM）和免標記斜入射光反射差（Oblique-Incidence Reflectivity Difference, OI-RD）技術的新型高通量藥物篩選平台，能夠快速、靈敏、無標記地從成千上萬種小分子化合物中找到與靶標蛋白結合的小分子。

課題組將近四千種小分子化合物點樣於晶片上，當靶標蛋白流過時，若它能夠與固定在晶片上的特定小分子結合，則該位置的分子層厚度增加，這一微小變化即可被光學方法（斜入射光反射差技術）靈敏檢測。採用這種新型的藥物篩選方法，課題組共找到兩種小分子，它們既能夠與LC3蛋白結合，也能夠與變異亨廷頓蛋白結合，但不與野生型亨廷頓蛋白結合。通過對具有類似結構的小分子化合物的檢測，共獲得四種可綁定LC3與變異亨廷頓蛋白的「小分子膠水」。

▍應用新前景：自噬小體綁定化合物打造藥物研發新概念

團隊決定打破砂鍋問到底，進一步探究這些小分子化合物能夠區分變異亨廷頓蛋白與野生型亨廷頓蛋白的內在機制。變異亨廷頓蛋白和正常蛋白結構基本無異，唯一的差別就在於變異蛋白含有過長的谷氨醯胺重複（polyQ）。而這些化合物之所以能夠「明辨忠奸」，正是因為其可選擇性地結合變異亨廷頓蛋白所特有的過長polyQ區域，根據這一特性對兩者予以區分。

依據這一特性，團隊意識到這些小分子化合物的用武之地也許遠不止亨廷頓病這一種疾病。目前已知有九種polyQ疾病，都是由特定的含有過長polyQ的突變蛋白所導致。脊髓小腦性共濟失調III型疾病就是一例，它是中國人群中發病率最高的polyQ疾病，臨床表現為運動的協調障礙、無法維持軀體姿勢和平衡等，可伴有突眼、腱反射亢進、面肌顫搐、肌痙攣等症狀。團隊利用復旦大學附屬華山醫院教授王堅課題組孫一忞醫生提供的共濟失調III型病人細胞進行了檢測，發現這些化合物均可以有效降低引起該病的變異蛋白（polyQ長度為74）水平，而不影響其野生型蛋白水平（polyQ長度為27）。

「這些化合物不僅可能對亨廷頓病的治療有效，也可能運用於其它polyQ疾病；自噬小體綁定化合物（ATTEC）這一藥物研發新概念，也有望應用於其它無法靶向的致病蛋白，甚至非蛋白的致病物質。」談及成果未來應用前景，魯伯塤充滿期待。

神經退行性疾病領域著名科學家Huda Zoghbi（美國科學院院士、科學突破獎（breakthrough prizes）獲得者）為該研究撰寫了專文評論，發表於Nature，正面評價推薦了此項研究。

中國生物技術網誠邀生物領域科學家在我們的平台上，發表和介紹國內外原創的科研成果。

註：國內為原創研究成果或評論、綜述，國際為在線發表一個月內的最新成果或綜述，字數500字以上，並請提供至少一張圖片。投稿者，請將文章發送至[email protected].cn。

本公眾號由中國科學院微生物研究所信息中心承辦

微信公眾號：中國生物技術網