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轉錄因子4與精神分裂症的關係

Ting張1Chaoran陰1肖蕭1丹尼爾·r·Marenda2文彙胡1, *

1天普大學劉易斯卡茨醫學院病理和實驗室醫學係代謝疾病研究中心,費城,PA 19140
2德雷塞爾大學生物係,賓夕法尼亞州費城,19104,美國

*通訊作者:美國費城寬街北側3500號MERB 846室,郵編:郵編:19140電話:215-707-5164;電子郵件:whu@temple.edu


摘要

精神分裂症(SCZ)是一種高度遺傳、嚴重、常見的精神病。遺傳變異在SCZ的發病和進展中起著重要作用。臨床前和臨床研究結果,特別是全基因組關聯研究(GWAS)已經確定了轉錄因子4 (TCF4, E2-2)是SCZ的高風險基因。TCF4表達和功能的中斷也與皮特-霍普金斯綜合征(PTHS)有關。眾所周知,TCF4在胚胎和成人神經發生過程中調節神經元譜係分化。最近的研究發現,Tcf4在有絲分裂後分化神經元的神經突分枝/修剪和突觸可塑性調節中發揮了新的作用。進一步了解與TCF4缺乏或功能障礙相關的神經發育障礙和神經心理/神經精神疾病的細胞和分子機製,將為SCZ和PTHS的治療提供重要的轉化靶點。

關鍵字

精神分裂症;TCF4;CRISPR-Cas9;神經元;神經發生

簡介

精神分裂症(SCZ)是一種主要的終身精神障礙,在總人口的1%中影響到男性和女性。大多數SCZ患者在最初發作後仍不健康,出現慢性和嚴重喪失行動能力的症狀。遺傳研究發現,這種複雜的毀滅性精神疾病的遺傳性高達80%[1-3]。遺傳變異在SCZ的發病和進展中起著重要作用。越來越多的全基因組關聯研究(GWAS)已經確定轉錄因子4 (TCF4)是SCZ的高危基因[2,4- 6]。CTG三聯體在TCF4基因內含子區重複擴增與SCZ相關[7,8]。TCF4的6個單核苷酸多態性[rs12966547 (G) P=2.6 × 10-10, rs9960767 (C) P=4.1 × 109, rs4309482 (A) P=7.8 × 109, rs10401120 (T), rs2958182 (T)和rs17512836 (C) P=2.35 × 108]已被確定為SCZ的風險變異[9-12]。在中國漢族人群中,三個TCF4 snp (rs9320010、rs7235757和rs1452787)也與SCZ[2]的風險顯著相關。最近精神科GWAS聯盟(PGC)的36,989例病例和113,075例對照的GWAS結果進一步支持TCF4在SCZ[13]基因易感性中的作用。然而,罕見的TCF4序列變異與SCZ之間沒有發現顯著的關聯。在TCF4變異中,rs12966547和rs8766與發病年齡(age at onset, AAO)相關,是SCZ[11]的已知預後指標。TCF4表達和功能的中斷也與其他一些常見和罕見疾病有關,如PittHopkins綜合征(PTHS)、Fuchs內皮性角膜營養不良(FECD)[15,16]和原發性硬化性膽管炎(PSC)[6,17]。特別是,眾所周知,PTHS是由TCF4單倍體不足引起的[18-20],其特征為智力殘疾、自閉症、癲癇發作、語言缺失、過度換氣和腸道功能障礙[21-23]。因此,通過調節TCF4的表達/功能來靶向TCF4可能是一種非常有前途的治療方法,可以治療這些已經診斷出TCF4突變或缺乏的患者。

TCF4的廣泛功能,特別是在神經發生和神經元極化方麵

TCF4也被稱為E2-2;ITF2;甲狀旁腺素;SEF2;ITF-2;SEF-2;SEF2 - 1;SEF2-1A;SEF2-1B;SEF2-1D; bHLHb19 (http://www.ncbi.nlm.nih. gov/gene/6925). TCF4 should not be confused with the T-cell factor 4 that regulates Wnt signaling and also associates with SCZ [24,25]. TCF4 is a member of class I basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factors. The bHLH family, known as E-proteins due to their binding to Ephrussi box (CANNTG) [18,19], play critical roles in a huge array of cellular processes and organogenesis. TCF4 is extensively expressed in many tissues but enriched in neurogenic niche during embryonic, postnatal and adult neurogenesis [6]. Among the bHLH factors, only TCF4 is continuously expressed in the adult nervous system in both animals and humans [6]. Generally, TCF4 heterodimerizes with class II bHLH proteins, particularly the proneuronal factors such as NeuroD, Neurogenin, ATOH1/MATH1, ASCL1/MASH1 to regulate neurogenesis and neuronal lineage differentiation [26]. TCF4 homodimerizes [27] to regulate gene expression [28,29]. TCF4 also heterodimerizes with class V bHLH proteins to inhibit gene expression [30,31]. These findings suggest that TCF4 plays an important role in regulating embryonic and adult neurogenesis and synaptic plasticity. TCF4 is also involved in lymphoid development [32], epithelial-mesenchymal transition [33,34], ocular growth [35], T cell differentiation [36] and dendritic cell development [37,38].

I/II類bHLH蛋白的表達是啟動神經幹細胞[39]神經元分化所必需的。然而,II類bHLH蛋白在調節終末分化神經細胞的功能中起著重要作用。例如,在果蠅中,II類bHLH蛋白具有促進神經元遷移、軸突引導和樹化[40]的功能。在哺乳動物中,無調性同源物Atoh1/Math1對於有絲分裂後的後梯形核神經元的遷移是必要的,而正常呼吸[41]是必需的。一些I類bHLH蛋白在線蟲[42]、小鼠[43]、人[43]的有絲分裂後神經元中表達,提示I類bHLH蛋白可能也在有絲分裂後神經元中發揮重要作用。無子(Da)基因編碼在果蠅[44]中發現的唯一I型bHLH蛋白。與TCF4類似,Da蛋白在大量組織中表達,並參與多種發育過程,包括神經發生[28,45]、細胞增殖[46,47]、肌肉發育[48]、卵巢發育[49]和視網膜發育[47,50]。Da在有絲分裂上皮細胞中的過表達足以在細胞周期的G2期阻滯這些細胞[51]。我們最近的研究表明,Da在蒼蠅神經肌肉連接處的有絲分裂後神經元中表達,並具有限製軸突樹化(bouton)的功能,而Tcf4也在小鼠有絲分裂後神經元中表達,並具有限製神經突分枝[52]的功能。然而,更多的實驗證據支持Tcf4/ Da在神經元極化中的重要性,特別是突觸前(軸突)和突觸後(樹突)的分支/修剪。

有絲分裂後神經元中Tcf4結合夥伴和下遊靶基因

除了與目標DNA結合外,TCF4還與許多蛋白質結合,特別是bHLH家族的轉錄因子。其同質二聚體或異質二聚體結合夥伴有助於調節靶基因的表達[26,28,29]。生物信息學分析確定了有絲分裂活性細胞中數千個受TCF4/Da調控的下遊靶基因[33,53]。例如,TCF4與NeuroD、neurogenin、Mash1、Math1等前神經元蛋白結合,調節神經發生和神經元譜係分化[54- 56]。Neurexin 1 (Nrxn1)正在成為SCZ的易感因子,其罕見的拷貝數變異被發現有助於SCZ的發病[57,58]。影響外顯子的Nrxn1基因缺失會帶來SCZ風險,並與自閉症和智力障礙有關[59,60]。TCF4直接結合成熟哺乳動物神經元中的Nrxn1啟動子/增強子區域,抑製其轉錄[52]。在果蠅Da形成同型二聚體,通過抑製Nrxn1表達[52]介導突觸限製。因此,Nrxn1可能部分介導SCZ的tcf4相關表型。miR-137基因的變異與SCZ顯著相關。純合子miR-137風險等位基因的SCZ患者枕葉、頂葉和顳葉灰質濃度顯著降低[61]。mir -137調控的基因如TCF4、PTGS2、MAPK1和MAPK3的失調可能是SCZ患者灰質丟失的基礎[61]。TCF4通過抑製兩個離子通道基因Kcnq1和Scn10a,起到調節神經元固有興奮性的作用[62]。TCF4途徑的下遊效應子對於理解TCF4相關疾病的分子機製至關重要。改變TCF4下遊效應子的表達或功能可改善SCZ患者的認知能力。潛在的治療性化學/天然化合物可以在人類細胞模型或轉基因動物模型中篩選,以控製TCF4和/或靶基因的表達[63]。最近,HDAC抑製劑治療小鼠模型已被證明可以挽救由TCF4功能喪失引起的學習和記憶障礙[64]。 To develop valid therapeutics, controlling specific genes’ expression is pivotal.

潛在的治療策略和CRIPSR-Cas9技術

到目前為止,tcf4相關疾病還沒有有效的治療方法,盡管已經使用了不同的治療方法來改善SCZ症狀,如抗精神病藥物處方和心理社會幹預[65-67]。由於SCZ的病因和發病機製尚不清楚,開發新的有效的治療SCZ的方法仍然是一個巨大的挑戰。許多轉錄本/異構體存在於人類TCF4和小鼠TCF4中。不同類型的細胞(特別是神經元亞型)可能在不同水平上表達不同的異構體。不同類型的snp可能以不同的方式促進SCZ的發展。因此,TCF4表達的異構體特異性和/或細胞特異性操作和/或基因突變校正將為TCF4相關疾病提供一種新的治療方法。對內源性非突變TCF4進行時空控製,試圖恢複TCF4的“正常”表達/功能,可能也是TCF4單倍體功能不全患者的一種有趣的治療策略。

rna引導內切酶CRISPR-Cas9技術已經成為一種更簡單、更多功能的技術,可以靶向和修飾任何基因組序列,具有較高的有效性和特異性[68]。Cas9技術成功應用於哺乳動物係統進行基因組編輯的報道最早見於2013年初[69,70]。此後,這種新型的基因組編輯係統在生物醫學領域引起了極大的關注。特別是,在動物模型、遺傳疾病、癌症生物學和傳染病等領域已經看到了大量的臨床前實例[71-75]。cas9介導的高效轉基因敲入最近已被報道在各種細胞係[76-81]和不同的物種中,包括小鼠[82,83],大鼠[84,85],豬[86,87],斑馬魚[81,88,89]等。同時,利用催化缺陷Cas9 (dCas9)與單一轉錄激活劑或阻遏劑結合來操縱細胞基因調控已被開發出來[90-93]。這種單一調控係統有其局限性,如基因激活或抑製的有效性和可擴展性。因此,通過引導RNA (gRNA)修飾和/或dCas9融合募集多重轉錄激活子或阻遏子已被探索[94-99]。例如,通過在sgRNA的四環和莖環2上附加一個最小發夾適體,對單個gRNA (sgRNA)進行工程改造,開發了基於dcas9的協同激活中介體(SAM)係統[100]。這種適體能夠與二聚的MS2噬菌體外殼蛋白結合。 Thus, a novel MS2-p65-HSF1 complex guided by targetspecific MS2-mediated sgRNA (msgRNAs) could facilitate the potency of dCas9-mediated gene activation by up to 3,000 fold [100]. This dCas9- SAM technology is capable of activating the provirus in HIV-1 latent cells for the “shock and kill” strategy to cure HIV/AIDS [101]. Similarly, a dCas9-engineered transcriptional repressor (ETR) system that combines several epigenome repressors has been established to achieve long-term suppression of endogenous genes [102]. The dCas9 system relies on target-specific sgRNAs and delivers multiple exogenous transcriptional activators or repressors to the target site. Furthermore, the dCas9 does not keep nuclease activity, and never induce any DNA mutation or chromosome translocations in host cells. Therefore this dCas9 system has high specificity, high efficiency and no/low cytotoxicity.

Cas9技術最令人興奮的應用是基因校正[103-105]和動物抗病毒治療[106,107],並可能很快應用於臨床。cas9介導的靶向癌症的臨床試驗已經啟動[108,109]。將Cas9和/或dCas9基因組/表觀基因組編輯技術應用於SCZ風險基因操作的概念證明已在幾篇綜述中提出[110-112]。靶向scz衍生的誘導多能幹細胞(iPS)的實驗證據最近已被報道[113,114]。Cas9/sgRNA在胚胎神經細胞中通過宮內電穿孔有效敲除Tcf4已被證明可以改變前額葉神經元的固有興奮性[62]。然而,利用CRISPR-Cas9技術解鎖SCZ疾病的基因仍然是一個漫長的過程。

TCF4基因的時空表達異常複雜,研究難度很大,因為:(1)人和動物的TCF4基因都有許多剪接事件和變異轉錄本,小鼠的TCF4基因有30個外顯子;(2)目前尚無針對TCF4(特別是其各種亞型)的良好抗體;(3)傳統的敲入標記(報告器)建模費時且不夠充分。即使有很好的抗體,免疫組化研究也無法檢測到TCF4蛋白的動態和定量變化。TCF4啟動子驅動的報告基因分析可以解決人類和動物中不同TCF4轉錄本的轉錄調控,但這種體外分析是人為的,不能測量內源性TCF4的時空表達,而不能測量各種異構體。因此,CRIPSR-Cas9介導的報告基因敲入技術可能為調控內源性TCF4基因在培養細胞(體外)或轉基因動物模型(體內)中的時空表達提供了一種新的途徑。許多藥物因其安全性和在患者體內的藥代動力學特征而獲得FDA批準。此外,製造和分銷網絡是現成的。因此,將現有藥物用於新的意想不到的功能,將是開發神經發育障礙和神經心理/神經精神疾病潛在新療法的快速和有效的方法。The內源性TCF4報告基因敲入細胞的高靈敏度生物發光分析可能為fda批準的藥物提供一個極好的高通量篩選。 By screening, we may identify potential FDA-approved drugs that specifically and efficiently upregulate or downregulate the expression of endogenous TCF4 in human iPS-derived cells or animal models.

結論

在所有TCF4相關疾病的背景下,關鍵問題是哪個拷貝,不足的正常TCF4或過表達的突變TCF4,是這些疾病的發展和進展的重新原因。因此,更好地了解突變體和非突變體TCF4在神經係統、角膜和肝髒中的表達模式和不同功能,對於開發這些衰弱疾病的新治療方法至關重要。單倍不足的正常TCF4和由於SNP變異、三聯體重複或缺失引起的突變TCF4的致病效應尚未被表征。以內源性TCF4的正常和突變拷貝為靶點,開發一種新的雙報告因子疾病模型可能是一個重要的未來方向。我們期望看到對不足的正常TCF4表達的操作可以抵消突變的TCF4以達到充分的正常功能。

確認

這項工作得到了賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院皮特·霍普金斯研究基金會和孤兒疾病中心(給DRM和WH)的部分資助。

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條信息

文章類型:評論文章

引用:張濤,尹晨,肖曦,Marenda DR,胡偉(2017)轉錄因子4與精神分裂症的關係。精神病學與健康雜誌2(1):doi http://dx.doi.org/10.16966/2474-7769.115

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出版的曆史:

  • 收到日期:2016年12月19日

  • 接受日期:2017年1月04

  • 發表日期:2017年1月11日