肌萎縮性側索硬化症（ALS）也稱漸凍症，是進程迅速、致死率高的運動神經元疾病。額顳葉痴呆（FTD）屬於第二大家族遺傳性認知障礙，主要影響人格、社會行為和語言功能。但越來越多的臨床病理和遺傳學研究顯示ALS和FTD有明顯的重疊【1】。2011年，分別由Rademakers【2】和Traynor【3】領導的研究小組同時報道，在許多ALS和FTD患者中都存在六鹼基(GGGGCC)重複序列擴增變異。這個獨特的重複序列擴增發生於一個之前未被詳細研究過的9號染色體ORF72位點基因（C9orf72）的非編碼區，是迄今為止最常見的家族性ALS和FTD的致病因素。然而，其在ALS和FTD中導致神經退行的具體分子機理並不清楚。
根據病人的臨床病理數據，可能的C9orf72基因突變的致病機制主要包括C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function)和獲得性毒性（gain of toxicity），後者來源於包含重複序列的C9orf72 RNA及其二肽重複蛋白(dipeptide repeat proteins,DPRs )。為了明確哪種機制起決定性作用，領域內研究人員建立了一系列C9orf72基因沉默/敲除或者C9orf72重複序列過表達的細胞和動物模型。研究表明在小鼠中，高表達C9orf72重複序列（gain of toxicity）能導致一定程度的神經退化(neurodegeneration)。而僅僅敲除C9orf72基因會引起免疫細胞和系統功能紊亂甚至早期死亡，但並不能在小鼠中引起明顯的與ALS或FTD相關的表型（phenotype）。在病人中，C9orf72重複序列擴增能同時造成細胞性C9ORF72蛋白表達量不足和C9orf72重複序列RNA及DPR蛋白毒性，因此困擾整個領域已久的一個問題是：C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function)和獲得性毒性（gain of toxicity）兩者之間是否存在協同作用（synergy）？這對設計研發正確的治療方法具有重要的指導意義。
2020年4月13日，加州大學聖地亞哥分校路德維格研究所Don Cleveland團隊在Nature Neuroscience雜誌上發表題為"Reduced C9ORF72 function exacerbates gain-of-toxicity from ALS/FTD-causing repeat expansion in C9orf72" 的研究論文，證明了在ALS和FTD中，C9ORF72蛋白功能缺失會進一步加劇C9orf72重複序列的毒性。
該論文的第一作者朱強到美國取得博士學位後，在Don Cleveland實驗室接受博士後訓練，一直從事C9orf72重複序列引起的ALS/FTD致病機理和新型治療手段的研發。在本項研究工作中，他將之前和同事一起建立的（發表於2016年Neuron）【4】C9orf72基因敲除小鼠品系和C9orf72細菌人工染色體(bacterial artificial chromosome, BAC) 轉基因小鼠品系（表達含450個GGGGCC重複序列的轉基因，受控於人源的C9orf72基因調控元件）進行雜交， 從而建立了新的C9orf72 gain and loss 小鼠模型。這個新小鼠模型既有C9orf72擴增重複序列表達，同時又有不同劑量的內源小鼠C9ORF72蛋白表達（C9orf72+/+，C9orf72+/-，C9orf72-/-），可用於模擬C9orf72 ALS/FTD病人的實際情況。結果顯示，在表達人源450重複序列的C9orf72 BAC轉基因小鼠中降低內源鼠C9ORF72會明顯加劇認知障礙、神經元衰亡等病理情況。
在另一個C9orf72 gain and loss 小鼠模型中，朱強及其同事利用腺病毒相關病毒(adenovirus associated virus，AAV)將C9orf72重複序列導入C9orf72敲除小鼠腦部表達(somatic transgenesis)。生存曲線分析結果顯示，在野生型小鼠中注射表達2個重複序列（對照）或66個擴增重複序列（病理）都沒有明顯影響小鼠生存時長。在C9orf72+/-小鼠中（內源C9ORF72蛋白減少50%），對照組（注射表達2個重複序列）生存時長仍不受影響，但表達66個重複序列引起顯著的過早死亡（premature death）。而在C9orf72-/-小鼠中，過表達66個重複序列進一步加劇了早期小鼠死亡。這些數據有力地證明了C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function) 和重複序列擴增引起的獲得性毒性（gain of toxicity）之間的協同致病機制。
現今對C9orf72編碼的蛋白的功能並不清晰。早期研究顯示C9ORF72蛋白很可能在自噬（autophagy）途徑中起重要作用。自噬主要負責清除細胞內受損的細胞器，錯誤摺疊的或外源的蛋白。作者在其C9orf72 gain and loss 小鼠模型中觀察到了因C9ORF72蛋白缺失減弱的自噬反應，並進一步檢測到了過度累積的二肽重複蛋白。
基於這些結果，文章更從治療手段研發的角度提出，作者及其同事之前建立的針對C9ASL/FTD的反義寡核苷酸技術（antisense oligonucleotide）【4】可以有效地應對C9orf72重複序列擴增引起的C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function)和獲得性毒性（gain of toxicity）之間的協同致病機制。經過特定的設計和化學修飾，這些反義寡核苷酸能特異性的結合含有GGGGCC重複序列的毒性C9orf72前信使RNA （pre-mRNA）從而觸發以核糖核酸酶H （RNase H）為主的RNA降解，但不影響其它編碼C9ORF72蛋白的正常C9orf72 mRNAs。相關的反義寡核苷酸藥物正在臨床試驗階段。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41593-020-0619-5
參考文獻
1. Turner, M.R., et al. Controversies and priorities in amyotrophic lateral sclerosis. Lancet Neurol. 12, 310-322 (2013).
2. DeJesus-Hernandez, M., et al. Expanded GGGGCC hexanucleotide repeat in noncoding region of C9ORF72 causes chromosome 9p-linked FTD and ALS. Neuron 72, 245-256 (2011).
3. Renton, A.E., et al. A hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 is the cause of chromosome 9p21-linked ALS-FTD. Neuron 72, 257-268 (2011).
4. Jiang, J., et al. Gain of Toxicity from ALS/FTD-Linked Repeat Expansions in C9ORF72 Is Alleviated by Antisense Oligonucleotides Targeting GGGGCC-Containing RNAs. Neuron 90, 535-550 (2016).
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