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两万分之一的患病率,《自然》揭示这一罕见病的关键病因

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天使综合征(Angelman syndrome)是一种罕见的神经发育障碍。患儿表现为严重智力障碍、癫痫、小头畸形和运动协调困难,每两万名新生儿中约有一例患者。医学界早已知道,这种疾病的发生与母亲来源的UBE3A基因缺失或突变有关。但UBE3A的缺失究竟通过什么分子机制,导致了如此严重的神经发育异常?

功能上来看,UBE3A编码了一种泛素连接酶,负责给细胞内多余或损坏的蛋白质贴上降解标签。在神经元中,只有来自母亲的UBE3A拷贝有活性,父亲的拷贝被沉默。这意味着,一旦母源UBE3A缺失,神经元就完全失去了这种酶的调控能力。

近日,华盛顿大学医学院的研究团队在《自然》发表论文,找到了UBE3A的一个关键底物天冬酰胺合成酶(ASNS),并揭示了一条此前未知的致病链条:ASNS在神经元内异常积累,触发持续的应激信号,使神经元的蛋白质合成全面减速,最终导致大脑发育受阻。


为寻找UBE3A酶的关键底物,研究团队对细胞进行了蛋白质组学筛选。他们利用UBE3A的激活型和失活型突变体,分析比较了蛋白质泛素化水平的变化,最终锁定了23个候选底物。经过多轮验证,ASNS显示出了最强的联系。

体外泛素化实验证实,UBE3A能直接催化ASNS的泛素化降解。在小鼠疾病模型中,ASNS蛋白水平比野生型升高约三成,但其mRNA水平并无变化,说明蛋白质降解环节出现了严重问题。与天使综合征患者来源的神经元数据交叉比较,ASNS也是少数同时出现的候选底物之一。

但仅仅找到底物还不够。ASNS在哪些细胞中发挥作用?分析显示,ASNS几乎只在神经元中表达,在非神经细胞中几乎检测不到。这与UBE3A的神经元特异性印记模式高度吻合,这也解释了为什么天使综合征的病理表现主要集中于神经系统。


图片来源:123RF

那么,降低ASNS的过量积累能否挽救疾病表型?小鼠实验中,研究人员比对了多种小鼠的表现,包括对照组、天使综合征模型和回补组(即在疾病模型基础上减少一个Asns拷贝,使ASNS蛋白恢复至接近正常水平)。

结果显示,回补组小鼠的多种异常表型获得显著改善:肥胖减轻,焦虑样行为改善进入正常范围,后肢握力缺陷和运动协调异常也得到纠正,脑重恢复至接近正常水平。

上述结果表明,蛋白降解系统故障,导致神经元中ASNS过量,是造成天使综合征的关键原因。

代谢组学分析显示,ASNS过量会造成小鼠脑内多种氨基酸水平失衡,天冬酰胺显著积累。与此同时,线粒体氧化磷酸化和蛋白质合成相关通路的基因表达全面下调。转录组数据进一步证实,疾病小鼠皮质中有超1700个基因表达出现异常,主要集中于能量代谢和蛋白质合成通路,而这些变化在回补组中明显减弱。


图片来源:123RF

研究团队使用了一种新型氨基酸标记技术,追踪活体小鼠脑内新蛋白质的生成速率。结果令人震惊:疾病小鼠的新蛋白质合成速率仅为野生型的五分之一到四分之一,回补组则相对得到了明显恢复。核糖体分析进一步确认,疾病小鼠的蛋白翻译效率显著降低,核糖体更多地停留在非活跃状态。在培养神经元中,单独过量表达ASNS就足以使新蛋白质合成减少约50%。

而蛋白质合成是神经元生长的基础,受此影响,疾病小鼠大脑重量也明显减轻。至此,研究团队提出了一条完整的病理链条:母源UBE3A缺失导致神经元内ASNS积累,随后的信号传递导致蛋白质合成抑制,最终使神经元生长受阻。患儿因此出现小头畸形和行为异常。

研究者指出,这项研究将天使综合征归入了一类“蛋白质稳态失衡”的相关神经发育障碍。靶向ASNS或下游通路可能为治疗提供新策略。不过,研究也发现,降低ASNS并未挽救所有表型,说明还有其他UBE3A底物等待发现,这也有待未来研究进一步挖掘。

参考资料:

[1] Kim, KS., Gardner, C., Cullen, A. et al. Persistent neuronal stress signalling underlies Angelman syndrome phenotypes. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11165-4

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