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“众包”医学诊断帮助研究人员识别导致罕见肺部疾病的基因

“众包”医学诊断帮助研究人员识别导致罕见肺部疾病的基因

2018年,一名31岁的女子因严重的呼吸道感染住进了波士顿的马萨诸塞州总医院(Massachusetts General Hospital, MGH),不得不接受氧气治疗。去医院治疗肺病对她来说并不新鲜——过去有几次,复发性感染需要她在医生的监督下呆上几天,直到病情好转。然而,现在看来,直到她接受了两个全新的肺,她才会出院。

这名妇女从婴儿时期就有呼吸问题。她的突发症状通常表现为肺炎——一种伴有发烧的痰性咳嗽。多年以后,气管和肺泡之间的通道,即支气管,开始肿胀和发炎。她的医生怀疑这些频繁的呼吸发作与呼吸道产生的粘液有关。

当我们呼吸时,粘液是我们身体抵御灰尘和病原体的第一道防线。这种粘性物质主要由水、盐和被称为粘蛋白的含糖蛋白质组成,它把进入的物质困在其粘性表面。从那里开始,纤毛——细胞中微小的手指状突起,看起来像小睫毛——将粘液向上推入呼吸道,粘液最终被咽下或咳出。

囊性纤维化等情况可导致排列在肺通道上的粘液变厚,以致于纤毛无法将其推出,从而导致支气管扩张——支气管肿胀。然而,当医生就这些可能的原因对这位妇女进行测试时,结果却是阴性的。她的案子完全是个谜。

破解案例研究

在等待双肺移植的过程中,她遇到了拉古·奇乌库拉(Raghu Chivukula)博士。奇乌库拉当时是麻省理工学院(MGH)的肺部和重症监护医学研究员,他对罕见和不寻常的肺部疾病很感兴趣,这是他接受人类遗传学博士训练的结果。他说,在他与这些经常是危重病人打交道的时间里,“很明显,在肺生物学和肺疾病的基础方面有许多悬而未决的问题。”奇乌库拉很快意识到,这位妇女的情况就是这些悬而未决的问题之一。

通常,当医生无法做出诊断时,他们会把病人转到另一家医院或去看专家。作为美国顶级医院之一,MGH见证了很多这样的神秘病例。事实上,他们看到了如此之多的病例,以至于在2016年,这家医院创建了一个名为Pathways Consult服务的项目,科学家可以在那里评估这些不寻常的病人,看看他们的疾病对科学来说是否可能是全新的东西。该项目帮助波士顿地区的医生和研究人员联系起来,帮助他们开发技术和资源,深入研究患者未确诊病症的生物学特性。

在他与这位患有肺部疾病的女士进行了最初的交谈后,奇乌库拉向Pathways项目寻求帮助,看他们是否能帮助他进一步调查她的疾病。

”我们是如此的兴奋当拉,他是一个难以置信的医生和科学家,来到我们这个机会了解生物学从这个病人,他看到,”博士说卡特里娜阿姆斯特朗,医学系的Physician-in-Chief在MGH工作路径”项目。

在她等待肺移植的时候,Chivukula询问了她的病史。他还与她的两个兄弟姐妹进行了交谈,他们在镇上帮助姐姐准备手术。通过与他们三个人的交谈,奇乌库拉得到了一条线索:这名妇女的家庭中有呼吸道感染病例。她的两个兄弟姐妹也表现出了类似的症状,尽管症状较轻。

这一发现促使奇乌库拉在Pathways项目的帮助下,把这名妇女、她的父母和她的两个兄弟姐妹的遗传物质送到沙特阿拉伯利雅得费萨尔国王专科医院和研究中心(KFSHRC)的遗传学家福赞·s·阿尔库拉亚(Fowzan S. Alkuraya)那里。当结果出来时,阿尔库拉亚仔细筛选了数据,寻找可能在家族肺部问题中起作用的突变。在这三个基因组中,有一个共同的不同之处:一种名为NEK10的基因发生了突变。“我给拉古回了信,告诉他我对发现这种新基因有多兴奋,”阿尔库拉亚说。

科学家们并不确定这个基因的作用,尽管他们知道它编码了一种激酶——一种通过磷酸基修饰其他蛋白质来传递信号的蛋白质。先前的研究表明,NEK10蛋白质可能发挥作用在人类肿瘤细胞如何应对DNA损伤和神经系统的形成在某些种类的鱼,但没有研究过有关其活动的任何一种人类疾病,或呼吸系统。

当奇乌库拉意识到这个女人的突变影响了一种激酶时,他决定在怀特黑德研究所(Whitehead Institute)大卫·萨巴蒂尼(David Sabatini)的实验室里把这个项目作为他博士后研究的一部分。Chivukula最初开始与Sabatini合作一个关于溶酶体在肺纤维化发展中的作用的项目。由于萨巴蒂尼之前的研究重点是了解细胞中重要的蛋白激酶,所以新的突变似乎是一个完美的附加项目。奇乌库拉说:“我对肺生物学的兴趣,加上大卫实验室世界级的细胞生物学专业知识和专门的工具箱,让我们有希望找出这种疾病。”

神秘的突变

为了确定这一突变是否会导致这名妇女的病情,奇乌库拉和萨巴蒂尼仔细观察了突变本身;他们发现,这名妇女的DNA序列的变化并没有使她的细胞表达更少的NEK10。相反,这种改变导致NEK10蛋白中增加了7个氨基酸,奇乌库拉推测,这可能会使该蛋白变得不稳定,无法在该女性的肺细胞中发挥某些关键作用。

然而,她只是一个病人,她和她的兄弟姐妹的DNA中出现的这种特殊突变可能与她的病情无关。科学家们想知道,这仅仅是一个巧合,还是NEK10突变导致了其他无法解释的呼吸问题?

奇乌库拉开始向世界各地的其他医院和研究中心发出试探信号。他希望找到其他患有不明原因肺部疾病的患者,这些患者的NEK10基因与这名妇女及其兄弟姐妹的基因突变相同。慢慢地,其他账户也陆续出现。其他医院的NEK10蛋白的DNA编码也出现了类似的变化,但没有足够的证据证明这一基因与患者的病情有关。

有证据表明,这种突变与这些患者的病情有关,奇乌库拉回到实验室,想弄清楚NEK10在细胞中究竟起了什么作用。首先,他需要找到它被用在哪里。为此,他转向信使RNA,即DNA和蛋白质之间的中间步骤。当一个细胞需要表达某个基因时,它就会产生一个信使rna转录。该转录携带遗传信息到核糖体,在那里它被制造成一种蛋白质。

奇乌库拉和他的同事们从这名妇女身上获得了气道组织——她的移植意味着他们可以很好地研究组织——以及一些正常肺的人的组织。他们使用了一种基因测试,让他们看到细胞中表达了什么RNA,这为蛋白质的使用提供了线索:在专门的气道组织中有大量的NEK10 mRNA,但在未分化的肺干细胞中几乎没有。

为了观察它们是否能诱导这些未分化的细胞产生NEK10,研究人员在实验室中培养它们,使用一种模拟人类气道内层的技术。通过让干细胞在液体培养基与空气接触的薄膜上生长,研究人员在实验室中诱导这些细胞慢慢成熟并分化为气道细胞。当研究人员仔细观察这些实验室培养的组织时,他们发现NEK10 mRNA的表达量要高得多。这意味着无论这种蛋白质在做什么,它在气道周围的细胞中是最活跃的。

在肺部,纤毛通过与相邻的纤毛一起前后摆动来移动粘液。此外,先前的研究发现,气道纤毛的破坏可能导致类似于NEK10患者的疾病。当奇乌库拉仔细观察这名妇女的呼吸道纤毛时,他发现它们仍然以同样的速度摆动,但有些东西不对劲;正常的纤毛可以在滑溜溜的粘液波上移动聚苯乙烯珠,而她变异的纤毛几乎不能移动粘液。

在显微镜下,纤毛奇怪地结块,发育不全。结果发现,这种突变导致纤毛过短,无法有效地移动粘液,导致气道堵塞。这些粘液的堆积增加了她患呼吸道感染的可能性,随着每次感染,她的支气管变得越来越大,越来越肿,直到她几乎不能自己呼吸。

一种新的疾病

奇乌库拉、萨巴蒂尼和合著者在2月份的《自然医学》杂志上发表了他们关于这种新疾病的发现。从他们对七名患者的观察来看,这种情况遵循一种常染色体隐性遗传模式——为了影响气道纤毛,基因必须在两份拷贝中被敲除——很像囊性纤维化和影响肺或其他组织的大多数形式的纤毛病。

进一步的研究将确定这种情况取决于NEK10基因突变的类型。奇乌库拉说:“这种基因完全有可能存在更温和或更微妙的变异,它们本身不会导致这种终末期肺部疾病。”

他说,这可能意味着NEK10基因发生了突变,导致一种蛋白质变形,而不是完全不稳定,尽管目前还无法确定。他说:“我们所知道的是,这种表型基因的双重敲除非常罕见。”“但就像许多遗传疾病一样,一旦你了解了严重的疾病,你就可以利用这些信息来深入了解更常见的疾病。”

至于那位接受了双肺移植手术的妇女,“她做得很好,”奇乌库拉说。“她不需要氧气,最终可以四处走动而不会呼吸急促。她已经病了20年了,就像其他任何人一样,但是她现在的状况比移植前好多了。”

阿姆斯特朗博士和MGH的其他人对奇乌库拉的发现的潜在应用感到兴奋。她说:“(在Pathways的案例中),像拉古这么快就能写出这么精彩的故事,这是很不寻常的。”

奇乌库拉说,也许在未来,其他处于女性地位的病人在病情严重到需要移植之前就可以得到治疗。尽管在治愈之前还有很多研究要做,奇乌库拉相信潜力是存在的。他指出,由于外部原因,纤毛已经显示出轻微的变化。例如,吸烟者的纤毛可能比不吸烟者的稍短。

他说:“我们已经证明,提供额外活跃的NEK10蛋白实际上可以改善纤毛功能,因此这确实表明,这种情况在未来是可以用药的。”“我们只是需要更好地理解生物学。”

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