緬懷霍金，基因編輯揭示ALS發病機理——巨星隕落，探索精神永不熄滅

昨天，著名的物理學家史蒂芬·霍金在家中辭世，享年76歲。這位著名的科學家在21歲時就被診斷患有肌肉萎縮性側索硬化症(Amytrophic Lateral Sclerosis，ALS)，並與輪椅伴隨一生。這種罕見病的發病機理至今不明，而日前，來自斯坦福大學(Stanford University)的研究人員在Nature Genetics雜誌發表了他們對ALS的最新研究成果，利用最新的基因編輯技術CRISPR/ Cas9篩選出一組在疾病發展過程中能夠加速神經元死亡的基因，揭示了ALS可能的發病機理。

斯蒂芬·威廉·霍金 (圖片來自網路)

ALS又被稱為「漸凍人症」，是一種能夠導致四肢、軀幹、胸腹部肌肉逐漸無力和萎縮的漸進式神經退行性疾病。患者從剛開始的疲勞無力發展到後期的吞咽困難、呼吸衰竭，現上市治療ALS的藥物如下圖所示。

目前ALS的病因尚不明確，相關假說包括蛋白累積致死神經元細胞，神經生長因子缺乏等，但有研究認為很多都與遺傳和基因缺陷有關。文章中提到，在約40%的ALS遺傳患者和25%的FTD遺傳患者中，疾病引起的C9ORF72基因突變導致額外的DNA序列插入，稱為六核苷酸重複序列(hexanucleotide repeat)。這些重複序列產生潛在的毒性RNA和蛋白質分子，能夠殺死神經元進而導致ALS患者運動困難和癱瘓，以及FTD患者的語言問題。

研究人員先是在小鼠神經元細胞中完成了二級CRISPR/ Cas9篩選方法驗證。隨後利用CRISPR/ Cas9技術的全基因組基因敲除篩選(genome-wide gene-knockout screens)方法，逐個敲除人類白血病細胞的特定基因。通過測試細胞是否能夠在C9ORF72的二肽重複毒性蛋白(dipeptide-repeat, DPR)暴露下存活，來評價這些基因對毒性抵抗的作用。任何能夠延長細胞存活或者加速細胞死亡的基因都被認為將對DPR的毒性產生影響。隨後研究人員又在小鼠腦細胞中再次證實了這一結果，總共有200多個基因能夠幫助神經元在DPR毒性作用下存活。

這些潛在影響DPR毒性的基因功能包括核質運輸、內質網、蛋白酶體、RNA處理途徑和染色體修飾等。其中一個叫做TMX2的基因，研究人員發現當敲除該基因後，從ALS患者的皮膚細胞中提取的神經細胞比正常情況下活得更久，說明可以深入研究針對ALS的新療法。研究人員推測下調細胞中的TMX2基因能夠促進「生存蛋白」的產生，保護細胞免受DPR毒性。

之前的研究往往需要幾個月的時間來尋找候選基因，並且只能在酵母、蠕蟲或蒼蠅基因組上開展實驗。有了CRISPR技術，研究人員只需要大約兩周的時間來完成對人類基因組的全面探索。研究結果表明，這種更快更全面的方法也可被用於其他神經疾病的機理研究。

對ALS疾病機理的探索只是人類努力戰勝無數疾病的一個縮影，在其他神經疾病領域，在癌症領域，在基因細胞等新療法領域都在取得進展。巨星雖然隕落，但他讓我們銘記的不僅僅是在宇宙黑洞理論等方面的突出貢獻，更是其疾病在身卻探索不輟的精神。哲學家康德說「頭頂的星空和道德律使我們心生敬畏」，但這種敬畏從來沒有阻止我們對一切未知的探索。正是這種探索精神，讓人類從蠻荒走向文明，從地球飛向太空，也終讓我們戰勝一個又一個疾病。讓我們向霍金，向人類的探索精神致敬！

參考文章：

CRISPR Screen Identifies Genetic Modifiers of ALS

Stanford researchers uncover mechanistic details of ALS using CRISPR

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