“无脸症”百年未解病因 “元凶”浮出水面

“无脸症”百年未解病因 “元凶”浮出水面

MIT和斯坦福大学的研究人员最近在《Nature》发表文章，解释了基因突变容易导致一种先天性脸颊和下颌骨发育畸形“特雷彻•柯林斯综合征”的分子机理。

美国出生的婴儿中每750个大约有1个患有颅面畸形，约占所有出生缺陷的三分之一。在这个“看脸”、“刷脸”的世界，这些患儿们不仅发音和听力有障碍，长大后往往因外表异样在学校和职场都受歧视。

许多颅面畸形源于“看家基因”突变，这些基因被称作看家基因的原因在于，在许多组织中都表达，是掌管蛋白质生产或DNA复制等基本生物功能的重量级基因。科学家们一直在想，为什么这些基因突变如此青睐造成颅面部组织缺陷。

MIT和斯坦福大学的研究人员最近在《Nature》发表文章，解释了基因突变容易导致一种先天性脸颊和下颌骨发育畸形“特雷彻•柯林斯综合征（Treacher-Collins Syndrome，TCS）”的分子机理。

团队发现形成面部的胚胎细胞对基因突变更为敏感的原因是，这些细胞时刻准备着根据压力变化启动细胞凋亡通路，介导这条通路的蛋白是p53，这项新发现标志着科学家们首次发现了胚胎发育阶段看家基因突变的组织特异性影响。

“在分子水平上，我们发现所有细胞用于制造核糖体的通用调节子更倾向导致特定细胞类型缺陷，”MIT生物学助理教授文章一作Eliezer Calo说。

从突变到疾病

1900年，英国外科医生和眼科医生Edward Treacher Collins首次描述了TCS的基本特征，随后这种疾病被冠以Treacher-Collins综合征之名。TCS通常是常染色体显性遗传，超过一半病例与新突变有关，而非来自父母遗传。所涉及的基因包括TCOF1、POLR1C或POLR1D，这些基因的编码蛋白与聚合酶组装和功能有关，参与构成核糖体的基因（rDNA）转录。

核糖体，所有细胞的关键细胞器

这些突变只特异性影响一类名为“颅神经嵴细胞（cranial neural crest cells）”的胚胎细胞。“为什么细胞核糖体组分突变会导致颅面畸形？为什么全身其他细胞类型不受影响？”Calo说。

研究人员利用斑马鱼和非洲爪蟾模型表达突变蛋白，结果显示，突变损害了DDX21酶的功能。当DDX21从DNA上解离后，这段核糖体蛋白编码基因就无法正常转录，导致缺失组件的核糖体也无法正常工作。

但是，只有那些对p53活化高度敏感的细胞（包括颅神经嵴细胞）才会出现DDX21缺陷。随后，由于核糖体功能受阻，这些细胞开始执行程序性细胞死亡，最终引发TCS。

相比其他胚胎干细胞，如其他类型的神经嵴细胞、其他部位的结缔组织细胞等并不受DDX21缺陷影响。

DNA损伤

研究人员发现POLR1C和POLR1D突变也会导致组成核糖体的RNA组件的编码DNA出现损伤。DNA损伤量与模式动物子代的畸形严重程度密切相关。其中，POLR1C突变造成的DNA损伤比POLR1D突变更多。科学家认为，TCS患者个体间患病严重程度的差异应该来自这些DNA损伤量的变化。

目前，Calo实验室正在研究为什么受影响细胞的某些特殊序列倾向产生更高水平的DNA损伤，同时他们也在寻找预防颅面部缺损的化合物，使颅神经嵴细胞对p53诱导的细胞凋亡具有更强的抵抗力。

人类胚胎在第三周左右进入面部塑造，此时颅神经嵴细胞开始形成组织层，如果科学家们研发出针对预防颅面出生缺陷的药物，可在此时进行早期干预。

心脏再生重要基因

布鲁塞尔自由大学和剑桥大学的研究人员发现，Mesp1基因在心血管谱系分离早期阶段扮演重要角色。

一个被马赛克标记的胚胎心脏，每个颜色补丁都来自早期标记的心脏祖细胞表达的关键基因Mesp1

心脏是发育过程中形成的第一个器官。心脏有4个不同区域（心室和心房）。细胞不同功能不同：心肌细胞（cardiomyocytes）负责不停抽吸、血管细胞（vascular cells）形成内壁和血管，起搏细胞（pacemaker cells）发动心跳。

如果创造心脏的祖细胞（progenitor cells）无法在恰当的时机迁移到正确的位置，分化成特定细胞类型，心脏就会畸形发育，导致严重出生缺陷——先天性心脏病。

以往的研究表明，来自不同细胞库的各种心脏祖细胞有一个共同特征——表达Mesp1基因。除此之外，科学家还未曾发现过其他分子水平上的心脏祖细胞鉴定方法，更无从知晓促进祖细胞进入特定心脏区域或心脏谱系的分子机制。

布鲁塞尔自由大学的Cédric Blanpain教授和剑桥大学的Berthold Göttgens教授在最新一期《Science》发表文章，通过单细胞分子分析和谱系跟踪，他们终于鉴定出了Mesp1在心血管谱系分离早期的重要作用。

Fabienne Lescroart和同事分离了胚胎发育不同阶段的Mesp1表达细胞，用单细胞转录组分析这些早期心脏祖细胞，寻找区域和细胞类型相关的分子特征，他们证明，不同的心脏祖细胞群的分子状态有明显区别。

借助单细胞分子表达谱分析这些早期祖细胞在缺乏Mesp1情境下的表现，研究人员证明Mesp1对细胞多能状态维持和心血管基因表达程序诱导都是必须的。

生物信息学分析发现，不同的早期Mesp1祖细胞群致力于不同细胞谱系和心脏区域发育，尽管祖细胞都是未分化的，但是新分析结果显示，心血管祖细胞群被“预处理”过，早已预先指定可分化为心肌细胞或血管细胞。

本文报道了可用于鉴定心脏早期谱系管制和区域分离的一些相关分子特征。研究人员观察到在早期发育阶段，不同细胞群的出生位置和时间各不相同，心脏和血管谱系最早分支点与Notch1标记有关，携带Notch1标记的早期祖细胞致力于血管谱系发育。

文章通讯作者之一Cédric Blanpain认为，早期谱系分离范式鉴定对控制器官/组织形成都有影响，解锁未知的分子特征不仅可深入了解先天性心脏病，还能帮助心血管祖细胞向特定谱系转化，从而改善心肌修复细胞疗法。

通讯作者Bertie Gottgens强调：“新发现的关键取决于技术革新，单细胞基因活性图谱使微小细胞族群研究成为可能。我们还能通过计算机分析基因表达活性将单细胞分类为某个亚组或某细胞类型。根据这些基因图谱，发现新候选基因，再利用候选基因开发心脏病新疗法。”