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肌萎缩性侧索硬化症（ALS）也称渐冻症，是进程迅速、致死率高的运动神经元疾病。额颞叶痴呆（FTD）属于第二大家族遗传性认知障碍，主要影响人格、社会行为和语言功能。但越来越多的临床病理和遗传学研究显示ALS和FTD有明显的重叠【1】。2011年，分别由Rademakers【2】和Traynor【3】领导的研究小组同时报道，在许多ALS和FTD患者中都存在六碱基(GGGGCC)重复序列扩增变异。这个独特的重复序列扩增发生于一个之前未被详细研究过的9号染色体ORF72位点基因（C9orf72）的非编码区，是迄今为止最常见的家族性ALS和FTD的致病因素。然而，其在ALS和FTD中导致神经退行的具体分子机理并不清楚。
根据病人的临床病理数据，可能的C9orf72基因突变的致病机制主要包括C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function)和获得性毒性（gain of toxicity），后者来源于包含重复序列的C9orf72 RNA及其二肽重复蛋白(dipeptide repeat proteins,
DPRs)。为了明确哪种机制起决定性作用，领域内研究人员建立了一系列C9orf72基因沉默/敲除或者C9orf72重复序列过表达的细胞和动物模型。研究表明在小鼠中，高表达C9orf72重复序列（gain of toxicity）能导致一定程度的神经退化(neurodegeneration)。而仅仅敲除C9orf72基因会引起免疫细胞和系统功能紊乱甚至早期死亡，但并不能在小鼠中引起明显的与ALS或FTD相关的表型（phenotype）。在病人中，C9orf72重复序列扩增能同时造成细胞性C9ORF72蛋白表达量不足和C9orf72重复序列RNA及DPR蛋白毒性，因此困扰整个领域已久的一个问题是：C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function)和获得性毒性（gain of toxicity）两者之间是否存在协同作用（synergy）？这对设计研发正确的治疗方法具有重要的指导意义。2020年4月13日，加州大学圣地亚哥分校路德维格研究所Don Cleveland团队在Nature Neuroscience杂志上发表题为"Reduced C9ORF72 function exacerbates gain-of-toxicity from ALS/FTD-causing repeat expansion in C9orf72" 的研究论文，证明了在ALS和FTD中，C9ORF72蛋白功能缺失会进一步加剧C9orf72重复序列的毒性。
该论文的第一作者朱强到美国取得博士学位后，在Don Cleveland实验室接受博士后训练，一直从事C9orf72重复序列引起的ALS/FTD致病机理和新型治疗手段的研发。在本项研究工作中，他将之前和同事一起建立的（发表于2016年Neuron）【4】C9orf72基因敲除小鼠品系和C9orf72细菌人工染色体(bacterial artificial chromosome, BAC) 转基因小鼠品系（表达含450个GGGGCC重复序列的转基因，受控于人源的C9orf72基因调控元件）进行杂交， 从而建立了新的C9orf72 gain and loss 小鼠模型。这个新小鼠模型既有C9orf72扩增重复序列表达，同时又有不同剂量的内源小鼠C9ORF72蛋白表达（C9orf72+/+，C9orf72+/-，C9orf72-/-），可用于模拟C9orf72 ALS/FTD病人的实际情况。结果显示，在表达人源450重复序列的C9orf72 BAC转基因小鼠中降低内源鼠C9ORF72会明显加剧认知障碍、神经元衰亡等病理情况。
在另一个C9orf72 gain and loss 小鼠模型中，朱强及其同事利用腺病毒相关病毒(adenovirus associated virus，AAV)将C9orf72重复序列导入C9orf72敲除小鼠脑部表达(somatic transgenesis)。生存曲线分析结果显示，在野生型小鼠中注射表达2个重复序列（对照）或66个扩增重复序列（病理）都没有明显影响小鼠生存时长。在C9orf72+/-小鼠中（内源C9ORF72蛋白减少50%），对照组（注射表达2个重复序列）生存时长仍不受影响，但表达66个重复序列引起显著的过早死亡（premature death）。而在C9orf72-/-小鼠中，过表达66个重复序列进一步加剧了早期小鼠死亡。这些数据有力地证明了C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function) 和重复序列扩增引起的获得性毒性（gain of toxicity）之间的协同致病机制。
现今对C9orf72编码的蛋白的功能并不清晰。早期研究显示C9ORF72蛋白很可能在自噬（autophagy）途径中起重要作用。自噬主要负责清除细胞内受损的细胞器，错误折叠的或外源的蛋白。作者在其C9orf72 gain and loss 小鼠模型中观察到了因C9ORF72蛋白缺失减弱的自噬反应，并进一步检测到了过度累积的二肽重复蛋白。
基于这些结果，文章更从治疗手段研发的角度提出，作者及其同事之前建立的针对C9ASL/FTD的反义寡核苷酸技术（antisense oligonucleotide）【4】可以有效地应对C9orf72重复序列扩增引起的C9ORF72蛋白功能缺失 (loss of function)和获得性毒性（gain of toxicity）之间的协同致病机制。经过特定的设计和化学修饰，这些反义寡核苷酸能特异性的结合含有GGGGCC重复序列的毒性C9orf72前信使RNA （pre-mRNA）从而触发以核糖核酸酶H （RNase H）为主的RNA降解，但不影响其它编码C9ORF72蛋白的正常C9orf72 mRNAs。相关的反义寡核苷酸药物正在临床试验阶段。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41593-020-0619-5
参考文献
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).
