Nature ：多发性硬化症治疗新靶点

来源：BioArt

撰文 | 十一月

多发性硬化症（Multiple sclerosis，MS）是一种中枢神经系统慢性炎症相关的疾病，主要损害脊髓、大脑以及视神经【1】。目前世界上约有250万多发性硬化症患者。多发性硬化症是一种很难根治的疾病，但是由于多发性硬化症的症状繁多而复杂，又很容易与其他的疾病相混淆而导致误诊。从2009年起，为了激励全世界多发性硬化症病友，多发性硬化症国际联合会牵头发起了世界多发性硬化症日，定在每年的五月三十号举行纪念活动，提高社会对于多发性硬化症的关注度，加强人们对于该疾病的认识。

而关于多发性硬化症的病理性源头科学家们认为可能是中枢神经系统各种大量存在的星形胶质细胞（Astrocytes）【2】。星形胶质细胞参与了多发性硬化的发病机制，但目前对星形胶质细胞的异质性及其调控机制却知之甚少。

2020年2月13日，哈佛医学院Francisco J. Quintana研究组在Nature发表文章MAFG-driven astrocytes promote CNS inflammation，通过利用多发性硬化症动物模型、原代细胞培养以及病人解剖样品等多种方面对星形胶质细胞异质性进行研究，发现了多发性硬化症的潜在临床治疗靶点。

想要了解多发性硬化症的发病机制，需要识别相关的细胞亚群及其控制机制，但目前对星形胶质细胞的异质性及其在多发性硬化症中的控制还不甚清楚。作者们将目光放到了单细胞测序中，因为单细胞测序能够对复杂组织中的细胞进行无偏向性的研究，能够识别出不同细胞中基因调控环路。多发性硬化症临床相关的动物模型是实验性自身免疫性脑脊髓炎 (Experimental autoimmune encephalomyelitis, EAE) 模型。关于EAE动物模型中星形胶质细胞的转录谱已经略有眉目【3,4】，但是目前还缺乏标记物为基础的相关分析。因此，作者们使用百日咳毒素注射诱导EAE模型后，用髓磷脂少突胶质细胞糖蛋白表位进行免疫，随后通过Drop-seq【5】对中枢神经系统中的细胞进行分析。作者们发现，星形胶质细胞的确存在多种不同的转录状态的亚群。而在这些亚群中，Cluster4是在EAE诱导过程中扩增最多的亚群。在Cluster4中，作者们分析发现了五个作为备选的关键转录调控因子：Nfe2l2、Kdm5a、Hif1a、Fos以及Jun（图1）。在这五个调控因子之中，Nfe2l2的表达量最低。Nfe2l2编码的是转录因子NRF2，而NRF2是限制氧化胁迫以及炎症反应中控制细胞响应的【6】。这些结果都说明，NRF2在Cluster4的星形胶质细胞中作为炎症反应以及神经毒性通路相关的负向调控因子。

图1 Cluster4中关键调控因子

作者们发现NRF2在星形胶质细胞中是是抑制EAE的，因为降低NRF2会促进中枢神经系统中的炎症反应。为了进一步地确认NRF2在星形胶质细胞中的功能，作者们使用IL-1β和TNF诱导激活的小鼠星形胶质细胞进行原代培养，IL-1β和TNF的诱导激活与多发性硬化症的病理特征相连【7】。通过这些实验，作者们发现NRF2信号通路的确是会限制星形胶质细胞中的转录响应从而促进EAF的病理性进展。

为了鉴定其他可能的EAE过程中星形胶质细胞调控因子，作者们在Cluster5中发现小MAF蛋白（small MAF，sMAF）MAFG可能在其中发挥作用（图2）。sMAF蛋白虽然缺少转录激活结构域但是能够与其他蛋白一起调控基因表达，sMAF蛋白本身也能够形成二聚体抑制靶标基因的表达【8】。MAFG-NRF2异源二聚体参与NRF2驱动的基因表达，但是MAFG同源二聚体会与MAFG-NRF2竞争，进而抑制NRF2靶标基因的表达【8】。结合Cluster5中的结果发现，在EAE过程中，星形胶质细胞中的NRF2表达量降低而伴随着MAFG表达升高，促进了中枢神经系统中的炎症反应。

图2 Cluster5中关键调控网络

之前有研究表明，MAFG通过与DNA甲基转移酶相互协作限制基因表达【9】。因此，作者们进一步检测了EAE过程中星形胶质细胞甲基化的变化。通过分析后作者们发现，MAFG驱动的、依赖于MAT2α（Methionine adenosyltransferase IIα）的甲基化的确在EAE过程中发挥着极为重要的作用。另外，由致脑炎T细胞分泌的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（Granulocyte–macrophage colony-stimulating factor, GM-CSF）信号通路也极大的促进了星形胶质细胞中的病理活性进展。

通过对安乐死病人的与对照组中枢神经系统的解剖样品进行分析后，作者们发现病人体内的确存在NRF2激活降低、MAFG激活增加、DNA甲基化增加、GM-CSF信号通路以及促炎症反应信号通路的活性的增加的变化。这些结果进一步证明了这些结论的得出并非是由于动物模型中中枢神经系统的区域选择或样品质量问题引起的片面性结论。

总的来说，Francisco J. Quintana研究组的工作从EAE动物模型、原代星形胶质细胞培养以及病人病理性样品等多种方面发现了多发性硬化症发生过程中，中枢神经系统中星形胶质细胞NRF2表达降低、MAFG表达升高，促进甲基化过程从而限制基因表达、抑制抗炎症因子的转录过程。粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子GM-CSF信号通路驱动MAFG、MAT2α以及促炎症因子的转录，促进了中枢神经系统EAE的病理性发展，该工作鉴定出了多发性硬化症在临床治疗方面可能的新靶点。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-1999-0

参考文献

1. Reich, D. S., Lucchinetti, C. F. & Calabresi, P. A. Multiple Sclerosis. N Engl J Med 378, 169-180, doi:10.1056/NEJMra1401483 (2018).

2. Sofroniew, M. V. Astrocyte barriers to neurotoxic inflammation. Nat Rev Neurosci 16, 249-263, doi:10.1038/nrn3898 (2015).

3. Wheeler, M. A. et al. Environmental Control of Astrocyte Pathogenic Activities in CNS Inflammation. Cell 176, 581-596 e518, doi:10.1016/j.cell.2018.12.012 (2019).

4. Rothhammer, V. et al. Microglial control of astrocytes in response to microbial metabolites. Nature 557, 724-728, doi:10.1038/s41586-018-0119-x (2018).

5. Macosko, E. Z. et al. Highly Parallel Genome-wide Expression Profiling of Individual Cells Using Nanoliter Droplets. Cell 161, 1202-1214, doi:10.1016/j.cell.2015.05.002 (2015).

6. Cuadrado, A. et al. Therapeutic targeting of the NRF2 and KEAP1 partnership in chronic diseases. Nat Rev Drug Discov 18, 295-317, doi:10.1038/s41573-018-0008-x (2019).

7. Lin, C. C. & Edelson, B. T. New Insights into the Role of IL-1beta in Experimental Autoimmune Encephalomyelitis and Multiple Sclerosis. Journal of immunology (Baltimore, Md. : 1950) 198, 4553-4560, doi:10.4049/jimmunol.1700263 (2017).

8. Katsuoka, F. & Yamamoto, M. Small Maf proteins (MafF, MafG, MafK): History, structure and function. Gene 586, 197-205, doi:10.1016/j.gene.2016.03.058 (2016).

9. Fang, M., Ou, J., Hutchinson, L. & Green, M. R. The BRAF oncoprotein functions through the transcriptional repressor MAFG to mediate the CpG Island Methylator phenotype. Mol Cell 55, 904-915, doi:10.1016/j.molcel.2014.08.010 (2014).