文摘
脆性X综合征(FXS)是最常见的已知遗传形式的智力残疾和自闭症谱系障碍。FXS病人遭受广泛的其他神经症状,包括多动,打乱了生理活动周期,强迫性行为,儿童癫痫发作。这种疾病的高发病率和毁灭性影响状态使寻找有效药物治疗势在必行。最近,在鼠标和报告果蝇FXS疾病模型表明,四环素衍生物二甲胺四环素可能持有为FXS病人治疗的承诺了。两种模型表明,二甲胺四环素作用于FXS疾病状态通过抑制基质金属蛋白酶(MMPs),一类zinc-dependent细胞外蛋白酶重要的组织重构,和信号。最近的FXS临床试验表明,二甲胺四环素可能在治疗人类患者是有效的。在这篇文章中,我们总结了最近的研究果蝇和鼠标FXS疾病模型和人类FXS病人,这表明,二甲胺四环素可能是一个有效的FXS治疗治疗,并讨论这些数据形成的基础提出二甲胺四环素作为MMP抑制剂的作用机制。
1。介绍
脆性X综合征(FXS),智力残疾的最常见的遗传原因和自闭症谱系障碍(1),男性患病率约为1 4000年和1 6000年女性(2,3]。虽然FXS的一个特点是低智商(~ 40),患者表现为大范围的行为,物理和神经症状,(4- - - - - -6]。行为问题包括多动和感官刺激敏感,焦虑和情绪障碍,睡眠紊乱,缺陷在认知学习和记忆的巩固,和受损的社会技能1,4,5,7- - - - - -14]。通常,赤字演讲是第一个症状导致FXS临床诊断(4,5]。虽然通常不重要神经医学障碍相关的综合症,FXS患者通常显示男性macroorchidism巨头与突出的耳朵和一个长,瘦的脸,联合高流动性对企业有利,扁平足(4,5,15- - - - - -17]。高架脑电图(EEG)活动特点,癫痫发作出现在~ 20%的FXS患者,通常由成年与汇款(18]。
FXS损失引起的脆性X智力迟钝1(FMR1)基因产物,FMRP [19),通常由于扩张(> 200)的CGG三核苷酸重复的5′非翻译基因区域,导致后续的甲基化和基因沉默20.]。FMRP是mRNA-binding已知蛋白质调节mRNA稳定、走私、和翻译(21- - - - - -26),与角色活动依赖性调节突触和塑性发展26- - - - - -33]。许多研究支持“FXS mGluR理论”表明增强组1 metabotropic谷氨酸受体5(受体)信号是负责在突触发生赤字,树突棘形态、长期势差(LTP)和抑郁(有限公司)在疾病状态5,27,28,30.- - - - - -32,34- - - - - -43]。因此,许多研究把重点放在了mGluR抑制剂,如2-methyl-6-phenylethynyl-pyridine (MPEP)作为治疗干预FXS [31日,38- - - - - -40,43- - - - - -47),与巨大的成功。例如,在果蝇疾病模型,MPEP有效防止细胞突触赤字和行为学习和记忆障碍(31日,42,45,46]。虽然一些mGluR抑制剂不能用于FXS病人治疗由于毒性和生物利用度的限制(例如,MPEP),其他药物,如选择性受体抑制剂fenobam,目前在人类临床试验(48,49]。锂,GSK3的抑制剂β受体信号的下游效应,还被临床试验有前景的结果作为一个潜在的FXS治疗治疗(50]。
除了受体通路干预措施的承诺,几个最近的报告表明二甲胺四环素的另一个潜在的大道FXS治疗治疗(51- - - - - -54]。使用了几十年作为抗生素和痤疮治疗,第二代,半合成四环素衍生物二甲胺四环素有很长的半衰期,高度亲脂性的特征,很容易穿过血脑屏障(55]。除了抗生素行动,二甲胺四环素也通过抑制函数作为抗炎剂几个分子,包括cox - 2,进气阀打开,和p38 MAPK和作为抗凋亡剂还存在通过抑制,以及其他公认的行动模式55,56]。在FXS其核心作用,二甲胺四环素是抑制基质金属蛋白酶(MMPs),一个家庭的分泌和membrane-tethered zinc-dependent细胞外蛋白酶与角色在组织重构和胞间信号(57- - - - - -60]。功能通过一个或多个模式的行动,二甲胺四环素已被证明有神经保护作用[55),之前一直建议是有用的治疗一些神经退行性疾病,包括多发性硬化(61年),肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS) (62年,63年],亨廷顿氏舞蹈症[64年),帕金森病(65年),和阿尔茨海默病(66年]。
FXS疾病状态,最近的一些研究提出,二甲胺四环素对其治疗效果通过MMP的抑制(51,53]。对于人类来说,多样化至少24基质金属蛋白酶功能分裂细胞外基质(ECM)的组件,包括分泌和细胞膜蛋白(57- - - - - -59]。一般来说,基质金属蛋白酶包含职业领域,激活细胞外蛋白酶裂解,酶催化域zinc-containing,链接器领域,血液结合素域(57- - - - - -59]。基质金属蛋白酶是metzincin的蛋白酶家族的一部分,名叫守恒的蛋氨酸残渣和锌的蛋白酶催化网站,其中包括亚当斯(disintegrin和金属蛋白酶)和亚当蛋白酶与血小板反应蛋白图案(ADAMTSs) [57- - - - - -59,67年]。在中枢神经系统,基质金属蛋白酶与轴突引导,突触发生,神经传递,突触可塑性,和行为学习57,58,67年]。基质金属蛋白酶具备内生被组织基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs),有4家人在人类68年,69年]。随着基质金属蛋白酶,TIMPs也表达在中枢神经系统,在那里他们还调节突触机制和行为输出(67年- - - - - -69年]。
在本文中,我们回顾最近的证据表明,二甲胺四环素作为一种有效的治疗治疗FXS遗传动物模型和人类FXS病人的临床试验。然后我们总结当前数据支持一个“MMP的抑制机制”,二甲胺四环素可能纠正FXS疾病状态。最后,我们考虑可能的路径通过MMP / TIMP和FMRP通路可能相交FXS发病机制的形成。
2。二甲胺四环素在脆弱X动物模型
二甲胺四环素是首次透露可能FXS治疗治疗的小鼠疾病模型(51]。的FMR1击倒(KO)鼠标是一个有效的人类疾病模型的状态(30.,40,51,71年,72年),它显示macroorchidism、多动和一些学习/记忆缺陷(71年- - - - - -73年]。与皮质突触后树突棘FXS病人脑解剖形态发生缺陷(74年,75年),FMR1KO小鼠表现出不成熟的树突棘轮廓更加长了,薄filopodia-like刺和比例缺乏成熟的短,粗短,蘑菇型刺76年- - - - - -79年]。这个突触成熟/生长缺陷已报道不同严重程度/外显率在不同大脑区域和可能发展瞬态,缺陷是最突出的产后早期发育的神经回路改进阶段80年,81年]。树突棘的表型FMR1KO小鼠在突触后组1与缺陷mGluR信号活动,与缺陷在突触可塑性82年]。这种突触后树突棘缺陷一直被认为是FXS神经解剖学的特点,合理选择先化验二甲胺四环素治疗的影响。
2009年,Bilousova和他的同事们提供了第一个证据的二甲胺四环素治疗效果FMR1KO小鼠的海马神经元的树突棘的彻底检查配置文件在体外和在活的有机体内(51]。本研究表明,20μM二甲胺四环素推广成熟控制海马神经元树突棘的文化。在FMR1在文化(20 KO神经元,二甲胺四环素治疗μ米17小时)或喂老鼠在饮用水(30毫克/公斤/天)改变了不成熟的树突棘资料对正常的树突棘的概要文件(表1)。重要的是要注意,没有改变在树突棘之间长度或刺的总数FMR1KO治疗和治疗条件;相反,仅仅有一个数量的比例变化不成熟成熟刺在二甲胺四环素治疗(51]。神经解剖学的分析后,研究了二甲胺四环素治疗的效果FMR1KO小鼠行为(51]。二甲胺四环素再次美联储通过他们的饮用水的新生鼠30毫克/公斤/天。在3周的年龄、治疗FMR1KO小鼠被发现是不那么焦虑的上升加上迷宫试验(表1)。此外,二甲胺四环素治疗导致更好的内存被动Y迷宫,而未经处理的FMR1KO小鼠(51]。另外,后续研究是最近由同一组(70年]。在FMR1KO成年雄性老鼠,发现超声波的速度发声(usv)在交配产生减少。没有其他声学属性赤字被确定。有趣的是,二甲胺四环素治疗恢复正常usv的速度FMR1KO小鼠(表1)。因此,二甲胺四环素是证明是有效地改善行为和神经解剖学的FXS缺陷小鼠疾病模型。
最近,一项研究采用果蝇FXS疾病模型证实和扩大这些数据,加强二甲胺四环素治疗的治疗潜力(53]。在十多年的研究,果蝇系统已牢固确立一个高度验证模型的人类疾病状态(25,26,31日,42- - - - - -47,83年- - - - - -99年]。果蝇包含一个FMR1同族体,dFMR1,而这三个脆性X家族基因在哺乳动物(FMR1,FXR1,和FXR2)。只有人类FMR1救援的广泛的神经造成的表型dFMR1KO,与人类FXR1/2没有活动,显示FMR1函数的进化和人类FMR1需求可以有效地分析果蝇FXS疾病模型(84年,99年]。像人类患者和小鼠模型,dFMR1KO苍蝇展览突触不成熟突触的生长,并且在一个范围的神经回路,包括运动神经元(84年,86年,99年,时钟神经元84年,87年,88年,99年),和学习/记忆神经元(26,42]。同样地模仿人类疾病条件下,dFMR1零动物精子发生显示macroorchidism和赤字,多动症和昼夜arrhythmicity,强大的赤字在学习和记忆形成整合(46,83年,85年,87年,88年,92年]。这些表型的广度和FXS疾病相关性果蝇一个优秀的系统检查二甲胺四环素治疗疾病状态的有效性。
2011年,银和Broadie提供了后续研究的二甲胺四环素治疗效果dFMR1KO彻底检查的突触结构在各种不同的神经回路类型(53]。突触结构分析在三个位置:(1)良好的glutamatergic神经肌肉接点(NMJ)外围肌肉组织,(2)颜料分散因子(PDF) neuropeptidergic小腹外侧(sLNv)时钟神经元在大脑中央,(3)肯扬大脑的神经元细胞蘑菇体(MB)学习和记忆中心(表1)。在所有三种类型的电路,dFMR1突触的生长,并且overelaboration KO显示相同的特点,包括扩大突触乔木域,增加突触分支,并增加额外突触剑头与突出的结构不成熟突触的网站(25,26,42,47,86年,87年]。二甲胺四环素是美联储dFMR1KO突变体在幼虫食物2 - 20范围内的发展μM和在较高剂量的成年人(表1毫米1),导致突触结构以野生型的状态(是剂量依赖性的提高53]。有趣的是,中枢神经系统突触赤字回应二甲胺四环素治疗比NMJ缺陷,尽管目前这种差异的原因是未知的。NMJ,二甲胺四环素治疗完全避免不成熟的突触剑头的积累和成熟的剑头部分防止过多,但没有影响突触分支的缺陷dFMR1科斯(53]。在大脑中,在时钟神经元和MB肯扬细胞,二甲胺四环素治疗防止多余的突触分支和完全救了overelaboration突触的剑头dFMR1科斯(表1)。不像老鼠的研究,果蝇研究没有发现二甲胺四环素治疗对野生型突触结构的影响(53]。此外,果蝇研究没有包含行为分析。然而,在神经解剖学的水平,果蝇研究支持了鼠标研究的发现,增加了进一步的证据作为广谱FXS二甲胺四环素治疗治疗的有效性在多个类别的神经回路(51,53]。
3所示。二甲胺四环素在脆性X的病人
综上所述,这两种动物模型研究强烈建议二甲胺四环素可能是一种有效的FXS治疗。然而,显而易见的问题仍然是:药物作用转化为人类FXS病人?2010年,两项研究开始提供洞察这个问题早期临床试验(52,54]。Utari 50 FXS病人和他的同事们研究了二甲胺四环素2周或更长时间,主要评估药物的安全性作为FXS治疗(54]。21日报道,50个病人检查副作用,最常见的是肠胃问题,包括腹泻和食欲不振(表1)。大多数患者报告副作用轻微。一个病人做经验指甲的颜色,但没有牙齿变色。FXS病人的整个研究过程中,大部分显示在几个方面改进,包括语言、关注,社会交际,和焦虑54]。一小部分病人表现出恶化在两个领域:多动症和喜怒无常(表1)。因此,这项研究表明在FXS二甲胺四环素可能有效治疗只有轻微的副作用,并保证后续结果,更仔细地检查二甲胺四环素效果对照研究。
Paribello和同事进行非盲、附加二甲胺四环素治疗试验13-32岁与19 FXS患者随访8周治疗期(52]。一个病人退出由于副作用,和另外两个发达无症状患者抗核抗体的血清转化,在自身免疫性疾病的诊断。没有其他病人严重的副作用报道,是由二甲胺四环素治疗,尽管头晕,头痛,嗜睡,腹泻报告为轻微的副作用(表1)。在这个试验中,显著改善使用异常行为发生在行为结果Checklist-Community版(ABC-C) [52]。次生氧化皮的成绩有了明显的改善,包括易怒次生氧化皮,这是作为主要结果指标,机械重复,过度活跃,和不适当的言语分量表,作为辅助措施(表结果1)。积极成果使用临床改善全球尺度视觉模拟量表(CGI)和行为(血管)措施也被报道对于大多数minocycline-treated FXS患者(52]。有趣的是,考虑到选择延长二甲胺四环素治疗1年,18岁的19个家庭独立决定继续治疗行为改进的基于他们的看法。结合Utari研究中,两组数据表明,二甲胺四环素是相对安全的和潜在的有效治疗FXS患者(52,54]。然而,双盲,安慰剂对照临床治疗试验仍然需要提供具体的证据,二甲胺四环素是一种积极有效的FXS疗法。
4所示。作用机理:MMP的抑制
2009鼠标FXS模型研究提供了很好的证据,二甲胺四环素行为通过抑制分泌矩阵metalloproteinase-9 (MMP-9) [51]。在其他神经系统疾病,如多发性硬化、二甲胺四环素作为MMP-9有同样被发现是有效的抑制剂(55]。Bilousova和同事进行免疫印迹和凝胶zymography分析评估差异MMP-9水平和酶(白明胶酶)小鼠海马的活动51]。在FMR1KO (P7)小鼠,水平的活跃MMP-9以及MMP-9白明胶酶活性均增加相比,控制(图1)。重要的是,二甲胺四环素治疗FMR1KO减少海马活跃MMP-9蛋白质水平和海马白明胶酶活动对野生型条件(51]。有趣的是,MMP-9治疗野生型海马细胞培养诱导不成熟的树突棘概要文件与更大比例的长,瘦filopodia-like树突棘,模仿FMR1KO状态(51),这一发现已经验证通过遗传方法(One hundred.]。在一起,这些证据表明upregulation分泌活跃MMP-9是一种新型的分子病理学方面FXS, MMP-9的二甲胺四环素的作用机制是抑制减轻FXS表型(图1)。
在接下来的果蝇研究中,银和Broadie大大延长测试的MMP的假设,利用果蝇的遗传相对简单(2基质金属蛋白酶果蝇相对于24日在哺乳动物;TIMP 1果蝇在哺乳动物相比,4)(53,57,58,60,101年]。这两个果蝇基质金属蛋白酶分泌包括金属蛋白酶- 1和膜锚定MMP-2,良好的抗体探针用于金属蛋白酶- 1只。金属蛋白酶- 1表达水平和白明胶酶活性无显著差异dFMR1KO控制相比,至少在NMJ突触与免疫细胞化学原位zymography和西方墨迹图(图在整个大脑1)[53]。然而,开始测试MMP的假说,内源性TIMP抑制剂基因的过表达dFMR1KO背景模拟提出了二甲胺四环素效果。NMJ, TIMP超表达是高度有效的抑制突触结构overelaboration描述dFMR1KO,恢复突触分支和过度成熟和不成熟的小结形成野生型条件(53]。相反,TIMP过度死亡原因前早期发育杀伤力和气管变形(60,102年,103年),而dFMR1消除这些TIMP双向压制的超表达表型。重要的是,dFMR1;金属蛋白酶- 1双KO变异显示相同的表型,相互抑制和预防dFMR1KO突触结构缺陷和拯救金属蛋白酶- 1KO气管缺陷和早期的杀伤力53]。在一起,这些数据提供优秀的证据为一个特定的基因之间的交互TIMP /金属蛋白酶- 1和FMRP通路(图1)。用以前的鼠标FXS模型研究表明特定upregulation MMP-9分泌,减少对二甲胺四环素治疗,合并后的数据集强烈表明,二甲胺四环素是抑制基质金属蛋白酶发挥alleviatory行动FXS表型(51,53]。
一个关键问题是确定如何FMRP和TIMP / MMP的途径(图相交1)。FMRP最好称为消极转化监管机构,因此,它是可能的,FMRP直接抑制MMP的表达,导致MMP upregulation FXS疾病状态。基于已知FMRP功能,这种交互可能发生在调节MMP的mRNA水平稳定或翻译,或者FMRP其次MMP的影响蛋白质功能,分泌,或通过作用于本地化MMP-interacting蛋白质(图1)。然而,许多更间接的两个通道之间的相互作用也可能的。FXS是增强谷氨酸受体的疾病信号与缺陷相关的突触形态发生和可塑性(有限公司/ LTP) (35,37]。多项研究表明,NMDA谷氨酸受体信号引起当地MMP-9释放,导致MMP-mediated突触可塑性事件(104年- - - - - -106年),可能通过细胞外蛋白质,如整合蛋白、层粘连蛋白、钙粘蛋白,β-dystroglycan、brevican tenascin-R,都涉及海马LTP (57,58,67年)(图1)。事实上,最近的工作涉及整合素β1信号的机制MMP-9-mediated树突棘形态发生变化(One hundred.]。此外,MMP-dependent突触重构可以被NMDA受体抑制剂,和门冬氨酸受体活动被证明能增加MMP-9活动,暗示另一个可能的链接(58]。此外,基质金属蛋白酶在axonal-dendritic扮演的角色结构改造(58,67年];例如,MMP-9存在于哺乳动物的树突棘和金属蛋白酶- 1出席果蝇glutamatergic NMJ [53,107年,108年]。MMP-9KO小鼠海马LTP显示缺陷和其他变化,例如,脊髓损伤后,能诱导白明胶酶活性升高,表明小心控制MMP的表达水平对突触调控至关重要(105年,109年]。此外,MMP的抑制可能导致TIMP信号变化由于减少的水平MMP-bound TIMP与水平的提高自由释放TIMP [110年]。例如,MMP-7之间的平衡和TIMP-1 pro-nerve最近被证明是重要的生长因子(神经生长因子)解理和神经保护后kainite-induced发作(111年),可能提供一个链接FXS患者的癫痫症状。因此,尽管目前尚不清楚如何MMP和FMRP通路相交,很明显,许多有趣的可能性需要探索(图1)。
5。结论和未来的发展方向
FXS是一种毁灭性的神经系统疾病,其特征是广泛的细胞和行为症状(4,5]。虽然大部分注意力都集中在受体抑制剂作为一个潜在的疾病治疗[大道31日,45- - - - - -47),大量的新证据果蝇(53,鼠标51],和人类研究[52,54]表明共同四环素衍生物二甲胺四环素可能是一个新的(表和高度有效的治疗选择1)。这些最近的报告表明,二甲胺四环素可能是一个广谱治疗只有轻微的副作用。明确下一步是追求一个双盲、安慰剂对照临床试验FXS二甲胺四环素的有效性。重要的是,它可能是测试的关键二甲胺四环素在年幼的儿童很可能,治疗效果可能与部分发育瞬态事件的神经回路的形成和/或改进。当然,它希望固有的神经系统的可塑性也将使成人二甲胺四环素治疗有效。因此,二甲胺四环素拥有真正的可能性是一个可访问的和具有成本效益的广泛的治疗这种疾病。重要的是,二甲胺四环素一直被FDA批准,大大促进其快速传播FXS社区。这确实是一个令人兴奋的发展家庭受到毁灭性的神经系统疾病。
这两个果蝇和鼠标指向研究MMP的抑制在FXS二甲胺四环素行动的机制(51,53]。必须考虑另一种可能性,也源自于这样一个事实:二甲胺四环素函数作为一种抗生素通过抑制细菌翻译,和一个类似的功能可以预测对抗的影响失去FMRP转化镇压,导致高架翻译(21]。虽然这个不应该考虑在二甲胺四环素的水平在最近FXS研究(表使用1),这是相同的剂量的用于治疗痤疮和细菌感染,如神经梅毒(112年,113年),它仍然是一个强大的可能性调查潜在FXS病人可能比健康的人更敏感对二甲胺四环素治疗。重大研究二甲胺四环素对真核核糖体的影响,特别是在FXS,尚未完成,必须广泛执行确定二甲胺四环素的作用机制是通过调节翻译的能力。此外,现有的证据并不排除其他机制二甲胺四环素行动的可能性,如p53 MAPK调节(55,114年,115年]。然而,最近的果蝇研究强烈表明特定基因MMP和FMRP通路之间的相互作用,应该调查的焦点在不远的将来[53]。这将是重要的充分研究TIMP的角色和基质金属蛋白酶在突触的背景下开发/改进和定义重叠和不同的突触功能不同的MMP的家庭成员(即。,membrane-anchored和分泌)。此外,在最近的一个伟大的限制果蝇研究只研究突触结构缺陷,必须扩展工作的检查二甲胺四环素/ MMP参与突触功能层面的可塑性和行为的输出果蝇FXS模型。除了神经机制,同样重要的是要注意,基因MMP和FMRP之间的互动也发生在nonneuronal组织,因为金属蛋白酶- 1nonneuronal表型和整体杀伤力获救了dFMR1删除(53]。一个类似nonneuronalFMR1函数还透露FXS关节症状的病人,强烈暗示人类疾病的ECM组件状态。前进,这将是重要的理解TIMP / MMP的功能障碍如何融入FXS发病机理的大图,提供一个更好地了解MMP / TIMP角色在突触,以及为FXS带来光可能的新的治疗靶点。
确认
作者感谢Broadie实验室成员,尤其是Drs。谢丽尔与和车道咖啡准备这篇论文期间指导和建议。这项工作是由美国国立卫生研究院的R01基金MH084989 GM54544 k . Broadie。美国美国银也支持NIHGM MSTP T32-GM008444培训奖。