利用从酵母细胞到人类干细胞这些组件构成的一个发现平台,Whitehead研究所的科学家们鉴别出了一个新的帕金森病药物靶点,并证实一种化合物能够修复来自帕金森病患者的神经元.

    发表在本周《科学》(Science)杂志上的两篇论文描述了这一平台的效率,其有可能加速发现应对帕金森病和其他神经退行性疾病潜在病理的候选药物.当前还没有这样的药物存在.

    蛋白质错误折叠导致中枢神经系统细胞内的蛋白质毒性累积,是帕金森病(PD)以及亨廷顿氏病、阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的特征.例如,α-突触核蛋白(α-Synuclein,α-Syn)在细胞中累积长期以来与帕金森病联系到一起,使得这一蛋白成为了一个看似适当的治疗干预靶标.

    在寻找有可能改变一种蛋白质(诸如α-突触核蛋白)的行为或功能的化合物过程中,药物公司往往依赖于所谓的以靶标为基础的筛查策略,以快速、自动化的方式测试大量化合物对于探讨蛋白的影响.尽管有效,但由于这种筛查基本上是在试管中发生,这样的方法受到限制.以靶标为基础的筛查发现的一些看似有前景的化合物,在从体外环境转移到活体环境时其作用有可能截然不同.

    为了克服这种局限性,Whitehead研究所成员Susan Lindquist的实验室转向了表型筛查,即在活体动物中研究候选化合物.在Lindquist的实验室里,酵母细胞充当了研究蛋白质错误折叠问题,以及鉴别可能的解决方案的活体试管.经过遗传改造可过量生成α-突触核蛋白的酵母细胞,成为了这种帕金森病潜在致病蛋白毒性的有强力模型.

    其中一篇Science论文的主要作者、Lindquist实验室研究员Daniel Tardiff说:"表型筛查有可能还未被充分利用来鉴别药物靶点和潜在化合物.在这里,我们让酵母告知了我们什么是好的靶标.我们让活细胞告诉了我们逆转α-突触核蛋白毒性的关键是什么."

    对近20万个化合物进行了筛查,Tardiff和同事们鉴别出了一种化学实体,其不仅可在酵母细胞中逆转α-突触核蛋白毒性,还部分程度上解救了线虫模型和大鼠的神经元.用鉴别的这一化合物进行治疗,一些细胞病理包括细胞运输受损、氧化性应激增高均显著减少.Tardiff 发现这一化合物是通过修复一种细胞蛋白介导的功能来发挥作用,这一蛋白对于细胞运输至关重要而以往被认为"无药可及".

    但这些研究发现能够应用于人类细胞吗?为了解答这一问题,Chee-Yeun Chung和Vikram Khurana的夫妻团队领导了Science杂志上的第二项研究,检测了来自帕金森病患者的诱导多能干细胞(iPS细胞)生成的神经元.这些细胞和分化神经元均来自携带α-突触核蛋白突变,形成了侵袭性帕金森病的患者.为了确保这些培育神经元中所有的病理均只归因于遗传缺陷,研究人员还用突变已得到纠正的iPS细胞衍生了对照神经元.

    Chung和Khurana利用来自酵母α-突触核蛋白毒性模型的大量数据,了解了随着患者的神经元在细胞皿中老化而发生混乱的重要细胞过程.引人注目的是, Tardiff研究中通过酵母筛查发现的这一化合物逆转了这些神经元的损伤.

    "很显然,这一化合物以相似的方式并通过相同的靶点挽救了酵母细胞和患者神经元,没有酵母遗传学引导我们,我们就不能够鉴别出这一靶点,"Khurana说.Khurana认为发现的异常存在于疾病的早期.如果是这样的话,成功操纵此处鉴别的靶点,或许可帮助减慢或阻止疾病的进展.

    对于研究人员而言,这些研究结果有点让他们感到惊讶.因为像帕金森病这样的神经退行性疾病,很大程度上是一些老年病,利用iPS细胞培养的神经元在培养皿中建立这些疾病的模型一直被认为是极其困难的.

    Chung 说:"很多人,其中包括我们自己,都对我们能够通过重编程患者的细胞来发现一种神经退行性疾病的重要病理持怀疑态度.但关键是,我们也在死后大脑中验证了这些病理,因此我们很有信心确定这些与帕金森病相关."

    下一阶段,科学家们打算对这一化合物进行化学优化,并在动物模型中对其进行测试.此外,他们确信这一酵母-人类干细胞发现平台可以应用于其他的、已开发酵母模型的神经退行性疾病.

    Lindquist 说:"利用酵母遗传学来鉴别一种化合物,以及它对一种疾病的基础病理起作用的机制,证实了我们构建的这一系统的能力.我们继续利用这种能力非常的重要,因为随着我们降低人们癌症和心脏病的死亡比率,这些可怕的神经退行性疾病的负担将会增高,这是不可避免的."