来自CHDI亨廷顿舞蹈症治疗大会第二天的问候！HDBuzz继续为您总结来自世界各地、齐聚棕榈泉的HD科学家们带来的精彩演讲。这天的会议聚焦于利用新的工具和技术探究亨廷顿病（HD）的驱动因素，深入研究整个疾病过程中发生的详细分子变化。演讲者们讨论了审视大数据的新方法，以及让我们能够更深入探索遗传学和生物学的各种方法论。
解析HD的生物学
Nat Heintz——表观遗传学如何控制基因开关和体细胞扩增
首先登台的是来自纽约洛克菲勒大学的Nat Heintz。他的研究团队一直专注于理解体细胞扩增的细节——即随着HD患者年龄增长，HTT基因中的CAG重复数在某些细胞类型中变长的过程。
Nat的团队研究已故HD患者的大脑。此前，他的团队曾展示过数据，显示体细胞扩增尤其发生在那些会生病的细胞中。但奇怪的是，他们也在其他相对健康的细胞中观察到了扩增。
这令人困惑，因为这意味着体细胞扩增可能并不是细胞在HD中生病的主要原因。生物学是复杂的，当我们深入分析来自真实HD患者的数据时，我们简单的模型往往并不成立。
现在他的团队正在研究表观遗传学如何影响体细胞扩增。表观遗传学有点像我们遗传物质的控制室，帮助影响哪些基因在哪些细胞、什么时间点以及在不同条件或应激下被打开或关闭。
他们观察到的一个现象是：DNA修复机器MutSβ（我们在第一天下午听过）似乎在那些体细胞扩增更多的细胞类型中含量更高，无论这些细胞是否因HD而死亡。
Nat的团队现在正在研究其他那些开关状态随体细胞扩增水平变化而改变的基因。这或许有助于识别驱动体细胞扩增的基因，并解释为什么有些细胞会生病，而另一些则安然无恙。
基因开关的表观遗传控制可以通过DNA本身的化学修饰来实现。这些修饰也可能发生在组蛋白上——组蛋白就像缝纫用的线轴，将我们的DNA缠绕在细胞核中以保持安全紧凑。Nat的团队正在不同的HD系统中绘制这些化学修饰的图谱。
了解这些基因如何被打开或关闭，可以为我们提供如何有意控制它们的线索。我们希望可以关闭那些导致有害体细胞扩增的基因，或者打开那些阻止它的基因。
Nat团队的另一个关键焦点是：为什么扩增的HTT蛋白在部分大脑区域有毒，而对其他组织或器官却没有那么大影响？携带HD基因的人一生中身体的每个细胞都会制造扩增的HTT蛋白，那么为什么它主要影响大脑，而且通常只在晚年才体现？
事实证明，一些控制基因开关的开关本身在含有扩增HTT基因的细胞中受到不同的调控。团队认为这是由于他们观察到的DNA上不同的化学修饰所致。
现在有各种酷炫的计算机分析方法，可以真正深入这些超级丰富的数据集，为这些HD的驱动因素提供新的见解。Nat重点介绍了普林斯顿Cristea实验室的工作，该工作显示HTT本身会与一些可能影响调控基因水平过程的蛋白质“待在一起”。
这一过程的一个驱动因素是MED15，这是一种由之前被证明影响HD症状出现时间的基因编码的蛋白质。同时，DNA化学修饰的变化似乎也在产生巨大影响。
因为他在特定的细胞，尤其是最脆弱的细胞中看到了DNA化学修饰的变化，Nat提出这些想法作为HD可能如何驱动的新模型。
这些关于人类HD驱动因素的详细分子见解之所以可能，完全得益于已故人士慷慨无私的大脑捐赠。对于像Nat这样的研究人员来说，这些资源无比珍贵，可以真正解析HD究竟是如何运作的。
Steve McCarroll——一个嘀嗒作响的DNA时钟
接下来是来自哈佛医学院的Steve McCarroll。Steve的团队同样对理解人类HD脑组织中的体细胞扩增感兴趣。他们试图找出可能触发有害下游事件级联（最终导致神经元丢失）的“扳机”。
Steve解释了他们是怎样观察捐赠者大脑中单个细胞的CAG长度，并发现一旦CAG扩增超过一定长度，基因开关的变化就会变得极端。
Steve之前曾提出一个150个CAG的阈值，超过这个阈值，HD脑细胞中的功能似乎就会真正崩溃并停止正常工作。他们称之为“嘀嗒作响的DNA时钟”模型，这个模型在三年前这次会议上首次提出时引起了很大争议！
提出有争议的观点或模型实际上是科学过程的一个重要部分，我们很幸运有超级聪明的、持有不同见解的人致力于解决HD研究的挑战。科学家们热爱讨论和分歧——这正是我们达成共识的方式！
在这个模型中，Steve的团队定义了HD的不同阶段，他们认为这些阶段最能解释他们从研究HD大脑中获得的数据和观察结果。他们认为扩增一开始很慢，然后随着更多CAG重复添加而迅速加快。
这些模型和时间线可以帮助科学家绘制关于HD进展的理论图景，从而为未来的临床决策提供信息，决定哪些干预措施在哪个时间点可能最有效。
尽管纹状体（大脑中心）是HD中受影响最严重的区域，但另一个区域——皮层（外面皱巴巴的部分）也受到影响。Steve的团队正在问：体细胞扩增在不同脑区是否有相同的影响？
Steve的团队深入到颗粒层面，不仅询问位置问题，还追问究竟哪些类型的细胞受到影响——他们收集了海量数据！他可以看到不同的细胞似乎有着非常不同的HD病程，并有着不同程度的体细胞扩增。
他们的模型基于所有这些数据表明：神经元首先经历非常缓慢的扩增，然后加速，接着这些神经元开始出问题。进入这个毒性阶段后，体细胞扩增会超加速。
在这个阶段，细胞变得极度不健康，因为本应开启的基因关闭了，本应关闭的却开启了。这导致细胞失去它们的“身份”——那些使它们成为独特细胞类型的基因。当这些巨大变化发生时，细胞就无法存活了。
然而，这个模型也存在一些问题。例如，那些携带罕见HTT基因形式（DNA字母代码中重复序列缺少一个中断）的人，症状发作时间比预测的要早多达10年。
虽然罕见，但HTT基因内遗传代码的微小变化会影响个体表现出的体细胞扩增程度。
Steve的团队想知道，对于携带这种类型HTT基因的人，毒性是否可能更早出现。或者基因开关的开启或关闭方式不同，也许是体细胞扩增没有遵循相同的路径。但他们找不到太多能解释数据的东西。
海量的数据使他们能够跟进其他发现和问题，例如CAG重复如何与HTT基因内的其他DNA片段协同作用。这些来自HD患者的大型数据集对于产生让我们更接近疗法的想法来说无比宝贵。
Bogdan Bintu——用于可视化基因开关的强大显微镜
上午的最后一场演讲来自加州大学圣地亚哥分校的Bogdan Bintu。Bogdan一开始就告诉听众他有多喜欢制造显微镜！
他的显微镜让科学家能够通过观察大脑切片，看到特定细胞中哪些基因被开启了。这被称为空间转录组学，一个用来表示转录组（所有被制造成RNA信息的基因的完整内容）的可视化地图的华丽术语。
大多数时候，关于大脑的数据来自那些被破碎并脱离它们所形成的组织结构的细胞。而Bogdan则可以保存大脑结构，看到每件事情在不同层次中的确切发生位置，同时收集更丰富、信息更详细的数据集。
利用他制造的定制显微镜，Bogdan可以研究HTT蛋白如何在大脑中形成毒性团块，并将之与体细胞扩增的细节以及哪些基因被开启或关闭叠加在一起，全部放置在一张详细的地图上。
Bogdan的团队可以利用这些信息找出HD大脑中与没有HD的捐赠者大脑相比哪些细胞丢失了。Bogdan和他的团队可以利用他们的平台真正深入探究哪些细胞类型和大脑层受影响最严重——非常酷！
接着他们试图找出一些细胞受影响而另一些不受影响的原因。这是否与HTT基因本身的水平有关？虽然这本来完全说得通，但生物学很少那么简单。生病的细胞既没有追踪到亨廷顿蛋白的水平，也没有追踪到毒性HTT蛋白团块的数量。
Bogdan的团队已经找到一种方法，可以近似估算单个细胞中HTT基因的CAG数量，并将其映射回每个细胞在大脑中的位置——哇哦！这使他们能够匹配单个细胞内的体细胞扩增，追踪哪些细胞在扩增以及它们在大脑中的确切位置。
他们发现，更大的CAG扩增存在于最不健康的HD脑细胞中。这些大的扩增也伴随着细胞内更多的HTT蛋白团块。然而与此相反的是，那些具有最大程度扩增的细胞似乎反而有减少的团块水平。尽管有点令人困惑，但这似乎指向CAG扩增在脑细胞健康中的关键作用。
Bogdan也对操纵DNA修复机制可能如何帮助或阻碍HD脑细胞感兴趣。有很多公司正在瞄准DNA修复，因此提前通过精细显微镜方法弄清楚这将如何影响大脑会非常有帮助。
Carlos Sune——通过TCERG1调控基因
Carlos Sune的实验室位于西班牙国家研究委员会。他正在研究HD的遗传修饰因子——基因组中那些能够影响亨廷顿病体征和症状起始时间的遗传字母变化。
其中一个修饰因子叫做TCERG1。这种蛋白质由许多不同的模块组成，使它在细胞中能够执行其工作——帮助正确的基因开启和关闭，并处理遗传信息分子。
HD领域了解TCERG1及其在HD中的作用已有很长时间，25年前发表的研究就显示了联系。最近，全基因组关联研究（GWAS）数据巩固了这种联系。GWAS研究查看了成千上万HD患者的遗传信息。
有趣的是，TCERG1基因本身有一个重复序列，更长的重复与HD中更早的症状发作相关。一个有趣的巧合，还是HTT和TCERG1之间联系的驱动因素？Carlos渴望查明！
TCERG1可以定位到细胞核，那里组织着所有遗传物质。事实上，它可以在我们昨天讨论过的“液态”（又称相分离）结构之一中找到。
在这种液态混合物中，TCERG1与细胞中的其他分子机器一起工作，使特定的基因开启并正确处理。Carlos正在研究这些不同的工作如何在细胞中执行并由TCERG1协调。
TCERG1对于调控在神经元中具有重要作用的基因特别重要，帮助组织它们的形状以及使它们能够与其他神经元形成连接的结构。
Carlos还在精确绘制TCERG1存在于哪种类型的液态结构中。这很重要，因为不同的液态隔室在细胞中处理不同的工作。他们还在绘制TCERG1与哪些分子伙伴“待在一起”，并可视化它们聚集的结构。
放大像TCERG1这样的遗传调控因子，是更好地理解细胞中广泛的HD相关变化的一种方式，有可能开辟新的治疗途径来修复或逆转有害的疾病状态。
Gene Yeo——衰老与疾病中的遗传信息
接下来我们将听到来自加州大学圣地亚哥分校的Gene Yeo（这个名字对于这个职业来说真是完美）。Gene正在研究神经元在衰老过程中，称为RNA的遗传信息分子如何受到不同的调控。
Gene Yeo使用AI图像生成来展示一些应激的线粒体。（他还谈到了衰老与脑疾病之间的联系。）
Gene解释说，RNA在细胞中从来不是“裸露”的。它总是被其他分子（如RNA结合蛋白）包裹着。编码RNA结合蛋白的基因占基因组的五分之一，所以它们可能相当重要。
在许多脑疾病中，RNA与其结合蛋白之间的相互作用会失调。一些失衡在生命早期或出生时就出现了，但症状往往很久以后才显现出来。Gene想知道为什么——他研究衰老和神经退行性如何相互作用。
弄清楚实验室培养的细胞的“年龄”是一个复杂的问题。如果脑细胞是由干细胞产生的，它们会保持“年轻”。为了保留脑细胞的年龄，科学家可以直接从皮肤细胞样本制造神经元。
这是一个称为“直接分化”的过程——皮肤细胞被直接转变为脑细胞，而不是先诱导为干细胞然后再改造成脑细胞。这些方法利用科学家开发的各种技巧来将细胞转变为不同类型——非常酷！
Gene想要问的问题是：使用不同方法生长和老化时，细胞的RNA“外衣”有何不同？例如，在年轻的神经元中，一种名为TDP-43（见于肌萎缩侧索硬化症）的RNA结合蛋白位于细胞核中，与所有遗传物质在一起；而在年老细胞中，它最终位于细胞的另一部分。
Gene发现，较老的神经元似乎处于慢性应激状态。它们形成称为应激颗粒的液态结构，并含有更多粘性的RNA结合蛋白。较老的细胞更难从RNA信息分子制造蛋白质。
在老年神经元以及衰老的人类大脑中观察到的另一个现象是，RNA更频繁地自我折叠形成“双链”结构，这更像是DNA的典型特征——两条链粘在一起形成螺旋结构。RNA通常以单链形式存在。
这些双链RNA似乎从线粒体（细胞的能量生产电池）中泄漏出来，然后与应激颗粒中的蛋白质结合。这些分子出现在异常位置不是一个好兆头。
Gene的实验室使用很酷的工具，使他们能够了解在细胞内特定位置，哪些蛋白质与HTT RNA信息结合。他认为，扩增的亨廷顿RNA正在重新组织其环境——拉入额外的蛋白质并造成混乱！
Jan Fassler——酵母、polyQ和Med15
接下来是来自爱荷华大学的Jan Fassler。她研究酵母以了解一个名为“中介体”的复合物。这个分子机器帮助控制哪些基因被开启和关闭。其中的一个关键组分是Med15，它和HTT一样有一个多聚谷氨酰胺（polyQ）片段。与HTT不同，Med15的polyQ长度会产生什么影响尚不清楚。真令人好奇！！
正如我们之前讨论的，Med15是在一项全基因组关联研究（GWAS）中被鉴定出来的，该研究帮助识别了影响HD症状何时开始的遗传修饰因子。Jan有兴趣知道含有Med15的中介体复合物是否在HD生物学中很重要。
Jan的一个想法是，扩增的HTT可能与Med15相互作用并将其拉出细胞核，从而严重破坏其开启和关闭基因的能力。另一个理论是，扩增的HTT可能扰乱Med15的位置，将其送到细胞的不同液态隔室中。
Jan利用酵母作为模型系统，探究Med15蛋白的不同polyQ长度及其与中介体复合物的相互作用，如何影响其他活性基因的水平。
人类和酵母的Med15蛋白有所不同，但酵母是研究转录因子——控制基因开关的蛋白质——的良好模型，因为它们的转录因子比哺乳动物少。
在酵母中，Med15控制着至少15%的基因。在酵母中消除Med15会使它们在许多不同条件下生长得非常差。
Jan向我们展示了构成酵母和人类Med15蛋白的所有不同的乐高式模块。一个相似之处是它们都包含一个长的polyQ片段（就像HTT一样），并且倾向于具有相当松散、无序的形状。
她的实验室也感兴趣于了解不同种类的酵母（来自葡萄酒、面包、清酒、啤酒等）在它们的Med15 polyQ上有何不同，以及这可能意味着什么。似乎Med15中更长的polyQ增加了酵母的应激反应，但完全切断Med15则压力更大。
他们研究了许多其他转录因子中的polyQ长度，以及每个因子如何影响酵母在应激下发生的变化。似乎polyQ长度的变异是自然微调在不同环境中生命的方式。
有趣的是，不同的驯化酵母菌株——人类数千年来为了酿造酒精和制作面包而培育的菌株——具有不同的polyQ长度。一个有趣的发现！
酿酒条件对酵母来说是充满压力的——它们不喜欢在这个过程中被酒精和其他化学物质包围。实验室利用这个系统研究MED15如何影响发酵过程。
他们进行了各种巧妙的实验，表明具有特定polyQ长度的某些酵母MED15形式是高效发酵所必需的，并且改变polyQ长度可以改善其他菌株的发酵。
他们可以进行RNA分析，揭示Med15 polyQ长度影响哪些通路，并在试管中进行检测，以了解Med15如何与其他转录因子相互作用，以及它如何在细胞内分离到液相中。
虽然这项工作看起来与HD非常间接相关，但Med15可能作为HD发病年龄的遗传修饰因子发挥作用，并且它的Q片段影响了酵母DNA修复基因的水平。同时，这也是在一个简单系统中展示polyQ长度生物学重要性的一个有趣例证。
第二天的下午专门用于海报展示环节，超过100位科学家展示了更多关于HD的工作。敬请关注第三天！
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