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解密亨丁頓氏症的細胞膜組成

圖一:亨丁頓氏症的致病機轉示意圖。大部分患者從父母遺傳來突變的亨丁頓蛋白基因,該基因製造出擁有重複 CAG 鹼基序列的突變蛋白質,會由多重不明機轉損害腦細胞,造成基底核萎縮,最終導致「舞蹈症」和其他神經症狀。圖片來源:https://www.sciencephoto.fr/image/13455292-Molecular-genesis-of-Huntington-s-disease-illustration

亨丁頓氏症是一種遺傳性並嚴重的神經退行性疾病,會造成類似「手舞足蹈」的運動症狀,因此又叫做「舞蹈症」,還會伴隨認知功能消退及憂鬱等精神症狀,疾病進展很快,發病後病人平均存活 15 20年[1]。亨丁頓氏症的運動和精神症狀被認為與紋狀體(striatum)—一種基底核調節運動重要的結構—其神經凋亡,以及紋狀體和大腦皮質之間的突觸損失有關。

亨丁頓氏症的病因是名為亨丁頓蛋白(Huntingtin)的基因突變,變異的亨丁頓蛋白堆積在神經突觸,和多種突觸中的蛋白和脂類結合,改變神經細胞膜的組織及訊息傳遞(圖一)。這篇麻省總醫院(Massachusetts General Hospital)發表的研究運用生化細胞分離技術,探討 Q175/Q7 亨丁頓氏症小鼠模型紋狀體細胞膜的組成改變。

實驗團隊以 60% 碘克沙醇(iodixanol)溶液,將來自亨丁頓氏症小鼠及控制組小鼠的紋狀體組織,分離成 16 個梯度(圖二),並分析多種突觸前和突觸後的蛋白,發現野生型和變異的亨丁頓蛋白的分布幾乎相同,這代表變異的亨丁頓蛋白雖然會形成不正常的聚集體,它們和野生型的亨丁頓蛋白會被分配到神經細胞中同樣的位置。

圖二:以碘克沙醇濃度梯度分離的細胞樣本,從上至下,分成 1-16 個組分,每個組分再以西方墨點法確認分離完全,以及裡面的細胞組成成分。圖片來源:https://doi.org/10.3389/fnsyn.2021.618391

為了探討膜蛋白分布是否與年齡有關,他們比較二個月大和六個月大的亨丁頓氏症小鼠細胞膜蛋白的第 2 個組分,再與控制組對照,結果發現囊泡麩胺酸轉運體(VGLUT1)和突觸後密度蛋白(PSD95)在六個月大的亨丁頓氏症小鼠的紋狀體中有顯著的減少;葡萄糖轉運體 GLUT3、鈉鉀幫浦(Na+/K+ ATPase)、以及 NMDA 受體的濃度沒有減少,但是分布改變——最高濃度從組分 2 移至組分 1(圖三),而二個月大的亨丁頓氏症小鼠的結果與控制小鼠沒有差別,顯示這個突觸蛋白的分布改變與年齡有關。

圖三:六個月大的亨丁頓氏症小鼠(Q175/Q7,灰色)和控制組小鼠(Q7/Q7,白色)的紋狀體組織第 1-3 組分,顯示多種突觸蛋白的含量及分佈變化。圖片來源:https://doi.org/10.3389/fnsyn.2021.618391

接下來,實驗團隊分析細胞組分中的脂類,發現相較於控制組小鼠,亨丁頓氏症小鼠的多種脂類有顯著性的減少或分布改變,包括組成粒線體的心磷脂(cardiolipin)和第二傳訊者 PIP2,而膽固醇酯(cholesteryl ester)的相對含量卻比控制組小鼠的多 3.5 倍。

這些結果意味著細胞膜超微結構的改變。最後,電子顯微鏡分析顯示,控制組小鼠的軸突末梢是光滑的圓形,在亨丁頓氏症小鼠中卻是不規則形(圖四)。

圖四:亨丁頓氏症小鼠(Q175/Q7,右)和控制組小鼠(Q7/Q7,左)細胞超微結構的電子顯微鏡分析。Sv:synaptic vesicles(突觸囊泡),at:axon terminal(軸突末梢),箭頭:管狀的囊泡構造,可能是內質網或胞內體。圖片來源:https://doi.org/10.3389/fnsyn.2021.618391

這篇論文的結果顯示,突變亨丁頓蛋白可能會影響細胞膜的脂筏構造、粒線體功能、細胞訊息傳遞、以及神經細胞的興奮性;這些多重的細胞功能異常,可能就是造成突觸形態改變,進而導致亨丁頓氏症的運動及認知障礙的機轉。

 

Main Article:

Iuliano, M., Seeley, C., Sapp, E., Jones, E. L., Martin, C., Li, X., DiFiglia, M., & Kegel-Gleason, K. B. (2021). Disposition of Proteins and Lipids in Synaptic Membrane Compartments Is Altered in Q175/Q7 Huntington’s Disease Mouse Striatum. Front Synaptic Neurosci, 13, 618391. https://doi.org/10.3389/fnsyn.2021.618391

參考文獻:

  1. Caron NS, Wright GEB, Hayden MR. Huntington Disease. 1998 Oct 23 [Updated 2020 Jun 11]. In: Adam MP, Mirzaa GM, Pagon RA, et al., editors. GeneReviews® [Internet]. Seattle (WA): University of Washington, Seattle; 1993-2022. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1305/

 

撰文|陳昱慈
審稿|林潔芯

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陳昱慈

美國威斯康辛大學麥迪遜分校生物系畢業,目前在維吉尼亞聯邦大學攻讀神經科學博士,研究興趣是電生理學、藥物成癮、和神經藥理學,業餘興趣包括昆蟲學和畫漫畫。受到臉書上熱血科普文寫手們啟發,創立「神經科學、生理學中文分享版」,從此開始了科普文寫作的興趣,希望藉由 Investigator 認識志同道合的朋友,並與大眾分享傳統上認為艱深、不親民的題目,如生物物理和藥理學的神奇魅力。

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