2016年，HNRNPH2基因首次在表现出智力残疾、发育迟缓和自闭症谱系障碍迹象的个体中被发现。HNRNPH2基因编码一组称为异质核糖核蛋白(hnRNP)家族的蛋白质中的一种特定蛋白质。这些hnRNP蛋白对许多与RNA处理相关的过程至关重要，包括转录和翻译。
圣犹达细胞与分子生物学系Hong Joo Kim博士说:“由于我们与hnRNP家族的合作历史，当HNRNPH2突变首次被发现时，我们被招募来解决蛋白质在这种疾病中所起的作用。”Kim在J. Paul Taylor，医学博士，St. Jude科学主任的实验室工作。随着时间的推移，在30多个具有神经发育障碍特征的个体中发现了HNRNPH2突变。
发表在《The Journal of Clinical Investigation》上的共同通讯作者Kim, Taylor和他们的团队，包括第一作者Ane Korff博士，阐明了这种致病性背后的机制。这项工作为了解这种知之甚少的疾病的生物学提供了一个重要的视角，并有可能开发出针对这种疾病和相关机制的未来治疗方法。
紊乱症状的根源是混杂的信号
HNRNPH2是一种只存在于X染色体上的基因。女性有两条染色体(XX)，而男性只有一条(XY)。在HNRNPH2的情况下，X染色体上的突变基因会严重影响身体，包括智力残疾和发育迟缓。然而，由于女性拥有功能正常的第二种基因，这种影响可以部分减轻。而男性的情况则不同，X染色体突变的影响可能更为灾难性。
“第一批发现的HNRNPH2突变患者都是女性患者，”Kim解释说。“对于只有一条X染色体的男性来说，与女性相比，突变的影响非常严重，以至于出生后存活下来的数量非常低。”
研究人员发现HNRNPH2突变影响了蛋白质的核定位信号(NLS)。NLS作为蛋白质进出细胞核的安全通道。考虑到hnRNPH2的功能对RNA的形成至关重要，影响NLS的突变可能是灾难性的，导致蛋白质失去安全通道并在细胞核外搁浅。从这一点来看，这种蛋白质如何导致神经变性一直是Kim和Taylor想要解决的一个谜。
当他们观察NLS突变蛋白的疾病形式时，研究人员不出所料地发现，进入细胞核的途径减少了。“大约有四分之一的蛋白质仍在细胞质中，”Kim解释说。但仅凭这一点并不能说明这种疾病的根本原因。“就疾病机制而言，它在细胞核中的存在减少是导致功能丧失，还是细胞质中的蛋白质积累导致新获得的功能?”Kim质疑道。
hnRNPH2基因缺失比突变要好得多
研究人员辛苦地设计了小鼠模型和人类细胞系，这是揭开这个谜团的关键组成部分。这些细胞和小鼠要么完全缺乏HNRNPH2，要么含有致病突变，分别被称为“敲除”和“敲入”。Kim解释说:“如果我们的敲入小鼠的行为与敲除小鼠相似，那么这就表明突变导致了功能丧失。”“如果不是，那么突变可能会导致一种功能的增加。”
根据初步数据，所有迹象都指向一个功能丧失途径，这是一种由hnRNPH2减少进入细胞核的途径所带来的疾病效应。然而，进一步的调查将这个想法彻底推翻了。
“令我们惊讶的是，我们的基因敲除小鼠完全正常，”Kim惊呼道。“与正常小鼠相比，它们几乎没有任何差异。”与此同时，携带突变蛋白的敲入小鼠显示出疾病的迹象，这不仅表明研究人员成功地建立了一个可靠的疾病模型，而且表明这不是一个简单的功能丧失的故事。
考虑到他们的细胞系的有效性，研究人员接下来观察了其他hnRNP家族成员的表达模式，看看是否有任何相关性。有一种蛋白质很突出。Kim说:“当我们产生敲除细胞系时，我们在人类细胞和小鼠细胞系中都看到hnRNPH1水平上升。”
要减轻疾病，家庭就是一切
顾名思义，hnRNPH1与hnRNPH2关系密切。主要区别在于它们随时间的表达模式。H1主要存在于发育生命阶段，然后脱落。H2水平在一生中都稳定地维持在低水平。这是由于身体在发育和我们随后的一生中有不同的需求。Kim说:“我们认为H1和H2在功能上是多余的，H1在胚胎形成之前更重要，而H2在整个生命周期中都有非常一致的作用。”
然而，研究人员发现，基因敲除小鼠的H1水平升高。这些结果表明，H1表达水平的提高弥补了H2的完全丧失，H2是拯救细胞的故障保险。
那疾病突变体呢?Kim解释说:“情况变得完全不同，因为H2蛋白仍然会被表达，但它没有真正的功能。因为仍然存在蛋白质，所以H1的代偿作用不会发挥作用。”
这种影响甚至可以调整。当研究人员慢慢降低H2水平时，他们发现H1水平最初并没有受到影响。但在一定程度上，Kim解释说，“在H2减少80%左右时，我们看到H1上调，并且水平超过150%。”这比H2的损失还多。
重要的是，这些基本的遗传见解还确定了一种使用反义寡核苷酸(ASOs)的治疗干预策略，这种合成RNA被设计成与自然产生的信使RNA结合，这种治疗策略在治疗脊髓性肌萎缩症(SMA)和其他神经发育障碍方面取得了成功。在hnRNPH2相关疾病的情况下，H1和H2之间的代偿关系表明可以设计ASO来降低H2的水平。
Korff说:“由于我们的研究表明，在细胞和小鼠中完全敲除H2不会引起任何可检测到的不良影响，因此使用ASO降低H2水平将被预测为患者的耐受性良好。但更重要的是，将H2降低到非常低的水平，预计会引发H1的代偿上调，具有潜在的治疗益处。”
泰勒很快强调了如何将从小鼠模型中发现的H1-H2关系和机制见解发扬光大。他说:“这项研究的发现为引入一种治疗HNRNPH2突变儿童的方法提供了重要的文献。这是必不可少的临床前步骤。”事实上，以aso为基础的hnRNPH2相关疾病治疗的设计目前正在推进，作为Blue-Sky项目GEMINI(基因组药物倡议)的一部分，该项目于今年夏天在儿科转化神经科学倡议下启动。
这一宝贵的见解推动了研究人员对这种以HNRNPH2突变为特征的神经发育障碍的认识和理解。这项工作还表明，疾病的发病机制不是简单的“一次性”机制。相反，它是H2突变导致功能丧失和H1代偿受损之间的平衡，或者可能是细胞质中功能获得的某种机制。这项工作揭示了复杂的关系是如何成为功能失调的根源。然而，正如这些发现所证明的那样，为这项工作设计的模型才是真正的礼物。它们的联合作用将为未来hnrnp相关神经退行性疾病的研究提供一个新的范例。
