为了制止脑部疾病,药物的目标是杀死神经元的蛋白质交通拥堵

正常的复眼蝇眼(左)受到菌株(右)中细胞死亡的破坏,其中突变导致肌萎缩侧索硬化。

KIRSTIN MAULDING
为了制止脑部疾病,药物的目标是杀死神经元的蛋白质交通拥堵

普通果蝇的复眼通常是砖红色。 但在马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学医学院的神经学家汤姆劳埃德实验室中,许多苍蝇的眼睛都被白色和黑色的斑点所包围,这标志着800多个眼睛单元中的神经元正在萎缩和死亡。

这些苍蝇的遗传等同于肌萎缩侧索硬化症(ALS),这种衰弱的神经退行性疾病也被称为Lou Gehrig病,它们的眼睛提供了进入疾病过程灵魂的窗口。 通过测量每只昆虫眼睛的损伤程度,研究人员可以快速判断药物,基因改造或其他一些治疗干预是否有助于阻止神经元丢失。

这些眼睛也为ALS的核心神秘提供了答案:正是杀死神经元的东西 - 最终杀死了病人。

在具有该疾病家族史的约40%的ALS患者中发现了蝇,并且在约10%的散发病例中发现了突变。 这个突变位于一个名为C9orf72的基因中,由数百或数千个短DNA序列的额外拷贝组成,只有6个碱基长。 它们导致异常大的RNA链,这些RNA会在细胞核中的数百种蛋白质上闪烁,使它们失去作用。 Lloyd和他的Hopkins同事Jeffrey Rothstein假设,其中一些RNA诱捕的蛋白质可能是ALS的关键。

几个月来,研究人员通过开发携带ALS突变和每种蛋白质基因的失能或过度活跃的苍蝇菌株,系统地研究了每种蛋白质的作用。 一组苍蝇被培育成一种名为RanGAP的蛋白质水平升高,脱颖而出。 在苍蝇从蛹壳中出现十五天后,他们的眼睛仍然是纯粹的烧焦的赭色。 RanGAP“是迄今为止最有效的神经变性抑制因子,”劳埃德说。 人们对其功能的了解非常诱人:它可以作为快递员,帮助穿过膜上的其他蛋白质,将细胞核与细胞质分开。

RanGAP 输入蛋白 Exportin C9orf72 RNA KPT-350 TDP-43 压力颗粒 细胞质 修复交通拥堵 分子的流动通过 细胞核中的毛孔是关键 特别是细胞的健康 神经元。 交通问题可能会 有助于肌萎缩症 - 硬化症(ALS)等 脑部疾病。 正常 Importin蛋白带来TDP-43 来自细胞质的其他货物 通过核孔,而 exportins将分子排出。 ALS 在一些ALS病例中,RNA异常 由突变体制成 C9orf72 基因 防止RanGAP调解 核进口,导致蛋白质 在应力颗粒中积累。 ALS +药物 一种可能的药物,KPT-350,会受到损害 具体的输出XPO1和可能 规范化蛋白质的核交通 或破坏压力颗粒。
V. ALTOUNIAN / SCIENCE

该团队的结果将颠覆神经科学家对肌萎缩侧索硬化和脑部疾病的理解,其他人也在同一条路上。 2015年,另外两个研究小组报告说,细胞核运输系统的缺陷不仅是ALS的标志性特征,而且还是额颞叶痴呆(FTD),这是由C9orf72突变引起的另一种进行性脑部疾病。 科学家很快就会将核分裂中的功能失调与其他神经退行性疾病 - 阿尔茨海默病,亨廷顿病,脊髓小脑性共济失调 - 甚至正常衰老联系起来。 在所有这些疾病中,由此产生的蛋白质异常堆积在某种程度上成为流氓神经元杀手。

“当有人发现并试图用它解释世界其他地方时,我常常感到不安,”指导约翰霍普金斯脑科学研究所的神经学家罗斯坦说。 但他说,这里似乎是真的。

调查结果不仅仅是学术性的。 他们正在鼓励采取治疗措施来解决与年龄相关的一般神经变性的原因 - 这一目标在很大程度上已经使药物开发者望而却步。 密歇根大学安娜堡分校的神经学家萨米·巴马达说,如果核质转运的逐渐丧失是老化大脑的一个保守特征,那么它可能是一种非常广泛而有效的治疗方法。

一些生物技术公司已经抓住了这个想法,在动物模型中探索它并计划今年的第一次人体试验。 其中最主要的是:位于马萨诸塞州剑桥的Biogen,它于2018年购买了开发一种名为KPT-350的药物化合物的权利,该化合物直接针对核转运途径。 支持该药物行为的研究是全新的。 但是,“生物学就在那里,”Biogen的神经肌肉和运动障碍研究主管克里斯·亨德森说。 “这是一种具有理性基础的药物,”他补充道,“而且我们乐观地将其纳入试验阶段。”

越过核边界

将DNA包装核与细胞其他部分分开的脂质膜就像是一个忙于双向工业交通的国际边界。 例如,DNA结合蛋白和其他分子不断地流入细胞核以帮助打开和关闭基因。 这些基因产生的信使RNA以另一种方式流入细胞质到蛋白质组装平台。 细胞必须通过称为核孔的入口点来调节流量。 扼杀那些门户网站,理由是细胞会遭受损失。

2010年,伦敦国王学院的研究人员与人类神经癌细胞合作,实验性地阻止了进口业务中涉及的蛋白质的表达。 结果在ALS患者的细胞中也可以看到:在细胞质中积聚的称为TDP-43的蛋白质团块。

很少有ALS研究人员对早期报告给予了很多关注。 ALS患者运输机械齿轮的可能性尚不清楚,研究人员无法确定TDP-43-a蛋白质是否通常在细胞核内结合DNA和RNA以调节多个步骤基因表达 - 实际上是杀死神经元,或者只是不同毒性过程的结果。 这将需要另外5年时间 - 而劳埃德和罗斯坦对苍蝇的研究有着明显的目光 - 对于ALS科学家来说,更严肃地对待核运输。

这是一种具有理性基础的药物,我们对将其纳入试验感到乐观。

生物根克里斯亨德森

霍普金斯团队的结果使同事们感到高兴,因为它已经确定了一种转运蛋白RanGAP,它是神经变性的关键。 研究小组在ALS的飞行模型和人类患者的细胞中都表明,突变体C9orf72基因产生的长RNA读数似乎粘附在核孔附近的RanGAP上并使蛋白质失去作用。 丧失功能的RanGAP刺激了核进口系统的备份,导致蛋白质的细胞质积累,例如TDP-43-在垃圾罢工期间像垃圾袋一样腐烂垃圾。

正如激励团队发现潜在的药物可以保护神经元的健康,至少在苍蝇中。 德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学的生物化学家Dorothee Dormann说:“突然间,它将一种潜在的治疗方法投入到戒指中。”

该团队没有能够提高细胞质中RanGAP水平并恢复足够流入以拯救眼神经元的药物。 但劳埃德认为,阻断TDP-43和其他核蛋白的流出可能会产生同样的有益效果。 已知一种名为KPT-276的实验化合物选择性地抑制称为输出蛋白1(XPO1)的关键核输出蛋白。 这种做法是一种各种各样的方式,将两个错误的流入和流出结合起来 - 做出正确的,但它起作用了。 当Lloyd将KPT-276送给他的ALS苍蝇时,他们的眼睛仍保持原始状态。

从癌症斗士到大脑保护者

KPT是马萨诸塞州牛顿市一家小型制药公司Karyopharm Therapeutics使用的实验化合物代码。 Karyopharm于2008年成立,用于开发用于治疗癌症的XPO1抑制剂,其目的是在细胞核中引发肿瘤抑制蛋白的积累,从而实现其抗癌监视功能。 十年之后,该公司的第一个临床候选药物多发性骨髓瘤药物被广泛预期在未来几个月内获得上市许可。

Karyopharm的化学家开发了一套XPO1抑制剂,包括KPT-276和一种名为KPT-350的亲属,它具有一个重要的特性:它们比其他候选物更容易穿过血脑屏障。 KPT-350在临床前测试中被证明更有效且毒性更低,因此该公司寻找使用它来治疗脑疾病和损伤的方法。

劳埃德和罗斯坦的结果激起了公司的兴趣。 当当时神经退行性疾病和传染病的负责人莎朗塔米尔得知霍普金斯研究人员正在使用KPT-276而不是KPT-350时,她打电话给他们提出使用“更好”的化合物进行合作。 与此同时,她开始向日本,比利时和美国的其他团体分发KPT-350。 总的来说,这些科学家在ALS,亨廷顿和其他脑部疾病的一系列人类细胞,苍蝇和啮齿动物模型中显示了该药物的神经保护作用。

为了制止脑部疾病,药物的目标是杀死神经元的蛋白质交通拥堵

假色原子力显微照片显示复杂的孔(绿环),密切调节细胞核和细胞质之间细胞的交通。

H. MUERLEITHNER,MUENSTER大学医院/科学资源

例如,KPT-350治疗保留了轴突的健康,神经细胞的长信号传递延伸,并改善了具有多发性硬化症状的小鼠的运动功能,由神经科学家Jeffery Haines领导的团队在伊坎纽约市西奈山医学院展示。 在霍普金斯小组的手中,该药物保留了与亨廷顿相关的突变的小鼠神经元。

“还有很多东西需要探索,为什么核孔隙复合体很容易受到不同脑区不同类型神经元问题的影响,导致多种不同的疾病,”Ravstein实验室的前博士后Gavin Daigle说。在加入剑桥的AbbVie之前,亨廷顿项目并帮助将破裂的毛孔功能与阿尔茨海默病联系起来。 但他强调,所有的研究都表明了一件事:“这是一条可以成为目标的途径。”

结果证明足以说服Biogen,后者购买了人体测试药物的权利。 “Karyopharm能够积累的临床前数据包确实令人兴奋,”Biogen的KPT-350研发项目负责人Laura Fanning说道(其重新命名为BIIB100分子)。 “这不仅仅是一种老鼠体内的功效障碍。它是一个广泛的证据基础,”她说。 KPT-350的首次人体剂量递增研究可能在今年晚些时候在ALS患者中开始。 亨德森说,如果该药物显示出对这种疾病的希望,Biogen可能会将其临床试验扩展到其他疾病。

搬进诊所

虽然这种药似乎在实验室中起作用,但为什么或如何根本不清楚。 “随着更多数据的出现,故事开始变得更加模糊,”海恩斯指出,现在纽约Tarrytown的Regeneron制药公司。 最初,大多数科学家认为,由于它阻断了XPO1,这种药物可以阻止TDP-43等蛋白质通过将它们捕获在细胞核中而堆积在细胞质中。 但去年,Dormann的团队和另一位由达拉斯德克萨斯大学西南医学中心的生物化学家Philip Thomas领导的研究小组独立报道说,TDP-43和另一种叫做FUS的蛋白质似乎通过被动扩散退出细胞核,而不是通过XPO1-介导运输。 (在一些ALS或FTD患者中,FUS也会在运动神经元的细胞质中聚集。)

因此,如果KPT-350没有直接作用于运输系统,它在做什么? “看起来这种药物的目标是一些更普遍的神经毒性途径,”Dormann说,“但仍有待澄清机制究竟是什么以及我们用这种药物纠正了哪些核转运缺陷。”

最近的研究表明,一种可能性是药物实际上是针对在细胞应激期间形成的微小,密集的蛋白质和RNA包。 在健康细胞中,那些无膜“应力颗粒”通常会在病毒感染,热休克或其他一些环境污染过后分解并且其成分分散。 在患有ALS或FTD的患者的患病神经元中不是这样。 在这些细胞中,应激颗粒持续存在并变粘,招募蛋白质如TDP-43和FUS,最终转化为固体,有毒的聚集体。

在过去一年中,一些研究小组已经表明,核运输机械的组成部分 - 包括进口商,出口商和核孔本身的一部分 - 也可能在这些集合中纠缠不清。 运输系统停滞不前,随着更多的TDP-43和其他蛋白质被添加到应力颗粒中,反馈回路成为可能,使分子流量停滞不前。 “TDP-43不仅仅是核 - 细胞质转运缺陷的受害者,”佛罗里达州杰克逊维尔梅奥诊所的神经科学家威尔弗里德罗索尔说。 “这也是一个犯罪者。”

2018年8月,来自比利时鲁汶天主教大学的神经生物学家Ludo Van Den Bosch领导的研究结果表明,转运蛋白XPO1本身可能在应激颗粒中发挥作用。 这意味着像KPT-350这样的药物可能主要用作应力颗粒破坏剂,对运输的任何影响都可能是次要的。 “事情比最初呈现的更复杂,”与Karyopharm合作的Van Den Bosch说。

关于KPT-350的公开问题并没有阻止其他团体采取额外的策略来解决核交通问题。 例如,2017年,Guillaume Hautbergue和他在英国谢菲尔德大学的同事们暗示了ALS苍蝇C9orf72突变所经历的神经元损失的另一个出口因素。 Hautbergue正在研究如何靶向该蛋白质以防止该基因产生的突变RNA的输出。

其他研究人员正致力于打破压力颗粒。 宾夕法尼亚大学的蛋白质生物化学家詹姆斯·肖特解释说,这种方法应该可以释放出那些颗粒物中的运输因子和孔蛋白,使它们能够回到细胞中的常规位置。 他正在开发一种方法,为细胞配备基因,用于制造“解聚酶”蛋白,并开始在ALS的小鼠模型中测试治疗策略。

一些制药公司,包括加利福尼亚州南旧金山的Denali Therapeutics和剑桥的Aquinnah Pharmaceuticals,都在寻找可以做同样事情的小分子。 Aquinnah联合创始人兼波士顿大学医学院神经药理学家Ben Wolozin表示,这些疗法可能无法直接针对核运输途径,但他们可以完成工作,因为拆除压力颗粒有助于恢复健康的核运输。 “这是综合生物反应的一部分,”Wolozin说。

Aquinnah希望今年开始评估其在ALS患者中的先导化合物,大约与Biogen的目标是将KPT-350送入诊所的时间相同。 目前,Biogen的科学家仍在试图确定这种药物在该疾病的各种遗传模型中的作用,包括带有破坏眼睛的苍蝇。 但在某种程度上,亨德森说,了解确切的作用机制并不重要。 “相关的实验,”他总结道,“是在人类患者身上。”

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