血脑屏障上的遗传疾病和基因操纵

在过去的十年中，我们对遗传疾病如何改变血脑屏障(BBB)、血视网膜屏障(BRB)和血csf屏障(BCSFB)功能的理解取得了重大进展。这包括对患者的研究，也包括从患者样本中提取的体外模型。因此，人类诱导的多能干细胞(iPSCs)用于衍生神经血管单位(NVU)细胞类型，包括脑微血管内皮细胞(BMEC)样细胞，是检查患者特异性突变影响的重要工具。此外，动物和细胞中的基因缺失和过表达研究对于解剖蛋白和细胞特异性对正常血脑屏障/BCSFB功能和病理的影响非常重要。它们有助于提供证据，证明血脑屏障和BCSFB功能障碍有助于许多神经系统疾病的神经功能障碍(即，它们是治疗靶点)。尽管大多数研究继续关注基因突变或缺失的影响，但表观遗传学领域已经迅速发展，为另一个层面的屏障调节提供了见解。虽然这些研究集中在遗传学/表观遗传学对屏障功能的影响上，但应该注意的是，正常的屏障功能是影响中枢神经系统的遗传疾病治疗的主要障碍。例如，虽然酶替代疗法可以缓解一些溶酶体贮积障碍的外周症状，但目前基于蛋白质的疗法不能充分穿透血脑屏障来改善中枢神经系统病理。

为了反映这些感兴趣的领域，中枢神经系统的液体和障碍发起了一个主题系列，题为“血脑屏障中的遗传疾病和遗传操作”。它提供了对这些主题的原始研究和评论，概述如下。

血脑屏障葡萄糖转运蛋白GLUT1的单倍性不足对大脑发育有深远的影响。然而，其他基因突变对血脑屏障、NVU和BCSFB的影响可能更加微妙，因此很难确定它们在整体神经功能障碍中的作用。Claudin-5在脑内皮紧密连接和血脑屏障功能中起重要作用。Hashimoto等。[1回顾了基于诱变的研究如何提供了对claudin-5功能的见解，以及序列改变如何导致一系列神经和神经精神疾病。其中包括最近在儿童交替性偏瘫患者中发现的一种错义clclin -5突变。Zarekiani等。[2回顾最近关于脑白质营养不良的研究，这是一种罕见的单基因疾病，主要影响脑白质，但也影响NVU。他们指出，新的ipsc衍生的体外模型可能在解剖白质营养不良对NVU的影响方面发挥作用。Raut等。[3.使用患者ipsc衍生的bmec样细胞来探索家族型阿尔茨海默病(PSEN1和PSEN2突变)对脑内皮的影响。类似地，Linville等人[4研究了从一名幼年亨廷顿病患者身上提取的bmec样细胞。两项研究都发现了内皮功能的改变。这表明这些疾病直接影响脑内皮，并可能导致神经退行性变。值得注意的是，关于ipsc衍生的脑内皮细胞的确切表型一直存在争议，因为它们也表达与上皮样特性相关的基因。因此，有人认为它们被称为bmec样细胞[5]。Linville等人指出[6]，这也强调了对这些细胞进行基准测试和提高所有体外血脑屏障模型准确性的重要性。Zhang等。[7研究人员发现，诱导转录因子Sox18的表达可增加ipsc衍生的bmec样细胞中几种血脑屏障相关标志物(如p -糖蛋白)的表达。

叶酸转运通过叶酸受体α、还原的叶酸载体和质子偶联的叶酸转运体进行。叶酸是正常神经发育所必需的，转运体突变可导致脑叶酸缺乏。脉络膜丛的血- csf屏障运输在脑叶酸稳态中起核心作用，但结果来自Sangha等人。8表明蛛网膜，另一个血-脑脊液屏障部位，也可能起重要作用。

脑内皮线粒体功能障碍发生在多种神经系统疾病中(包括中风和阿尔茨海默病)。Lee等。[9]使用TEKCRIF1基因敲除具有内皮特异性线粒体功能障碍的小鼠来研究这种功能障碍如何导致血脑屏障破坏。他们发现改变的NOTCH1信号在这种屏障失效中起关键作用。

Xu等。[10研究了H-Tx大鼠脑积水的潜在原因。染色体16p16区域(编码蛋白酪氨酸磷酸酶非受体20型(Ptpn20))的拷贝数丢失被确定与脑积水有关。有趣的是，生成的Ptpn20 KO小鼠也出现了心室肿大。这与脉络丛(BCFSB)磷酸化氯化钠共转运蛋白-1 (NKCC-1)的表达增加有关。磷酸化的NKCC1先前与诱导出血性脑积水有关[11]。

虽然越来越多的证据表明血脑屏障、NVU和BCSFB功能障碍在许多影响中枢神经系统的遗传性疾病中起作用，但似乎新生儿黄疸(高胆红素血症)不影响大鼠血脑屏障和BCSFB功能。Blondel等人。[12研究了由于udp -葡萄糖醛酸糖基转移酶UGT1a酶突变和胆红素分解代谢减少而表现出高胆红素血症的Gunn大鼠。他们发现，在正常和高胆红素血症大鼠的发育过程中，血脑屏障和BCSFB的通透性没有差异。

基因缺失/过表达研究已被用于检测特定蛋白在血脑屏障、NVU、BCSFB和血视网膜屏障中的作用。Goncalves & Antonetti [13综述了来自转基因动物的屏障功能和调控方面的重要发现，包括敲除特定紧密连接蛋白。为了研究低密度脂蛋白受体相关蛋白1 (LRP1)在血脑屏障中的作用，Storck等[14]使用了一种他莫昔芬诱导的敲除小鼠，该小鼠通过使用溶质载体有机阴离子转运体Slco1c1启动子，特异性靶向脑内皮而非全身内皮细胞。LRP1敲低导致紧密连接降解，血脑屏障完整性降低，p -糖蛋白水平降低。Devasani & Yao [15研究人员回顾了腺苷酸环化酶(ADCY)的十种亚型在中枢神经系统(包括血脑屏障)中作用的证据。了解g蛋白偶联受体(GPCR)- adcy信号的复杂性，在CNS和NVU的多种细胞类型中存在多种GPCR和adcy，将有助于更多的异构体和细胞特异性敲除小鼠。

他等人。16使用frizzled7 CRISPR/Cas9敲除质粒和frizzled7 CRISPR激活质粒在小鼠中操纵这一重要的脑内皮信号通路。他们发现，激活frizzled7可以减少血脑屏障的破坏，改善脑出血后的脑水肿和神经功能。

这样的动物研究通常是针对啮齿类动物，尤其是老鼠。值得注意的是，Schaffenrath等人[17]发现小鼠品系(特别是野生衍生品系和长自交系)之间的血脑屏障在转录组水平上存在差异，尽管血管形态或对低分子量标记物的通透性几乎没有差异。作为小鼠模型的替代品，斑马鱼在基因操作研究中越来越受欢迎。在斑马鱼中，Li等。[18研究发现，敲除哺乳动物claudin-5的同源基因claudin-5a(而不是5b)，会在发育过程中导致血脑屏障中断、严重的脑水肿和脑疝。

基因操作可以在体外和体内进行。Baumann等。[19]发现星形胶质细胞缺氧诱导因子-1 (HIF-1)在缺氧诱导的内皮破坏中并不重要体外使用HIF-1 siRNA。该小组随后将他们的研究扩展到使用细胞特异性诱导敲除的体内研究[20.发现周细胞，而不是星形胶质细胞，HIF-1的消耗降低了缺氧诱导的内皮屏障的通透性。当诱导蛋白表达时，可能会出现异常的细胞分布。Gericke等。[21]在体外脑内皮细胞系中对p -糖蛋白进行了检测。

在NVU中，包括层粘连蛋白在内的细胞外基质的重要性一直被低估。这在很大程度上要归功于基因缺失研究显示对血脑屏障功能有显著影响的结果。Halder等。[22综述了不同层粘连蛋白异构体及其整合素受体在血脑屏障发育、成熟和稳定中的作用。

虽然遗传疾病可能直接影响血脑屏障/NVU，但它们也可能使血脑屏障/NVU容易受到其他损伤。因此，Clark等人。[23发现过表达人淀粉样蛋白前体蛋白(APP)和早老素1(一种阿尔茨海默病模型)的年轻转基因小鼠在暴露于爆炸诱导的创伤性脑损伤时，血管周围水通道蛋白4和慢性毛细血管增殖降低。

与BBB/NVU相比，对脉络膜丛上皮进行遗传操作的研究相对较少。Jang & Lehtinen [24回顾了目前使用遗传模型和病毒基因传递在体内进行此类研究的方法，并讨论了未来的方法。

表观遗传学是屏障研究的一个新兴领域。Ihezie等。[25综述了不同类型的表观遗传机制(DNA甲基化，组蛋白修饰，非编码rna)在调节血脑屏障中的作用以及针对这些机制的潜在治疗干预措施。Phillips等。[26研究了小鼠缺血性中风后血脑屏障恢复中DNA甲基化(甲基组)变化的作用，以及这种反应如何随着年龄的增长而改变。重要的是，他们将甲基化组的变化与转录组相关联，并描述了甲基化状态如何导致血脑屏障恢复不完全，这可能会恶化中风结局并增加中风复发的机会。虽然DNA甲基化是一个关键的表观遗传调控因子，但10 - 11易位(TET)甲基胞嘧啶双加氧酶家族可以使DNA去甲基化。Wang等。[27]使用敲除小鼠和siRNA介导的TET2敲除来研究这种去甲基化在调节紧密连接蛋白ZO-1中的作用。孙等。[28综述了非编码rna(包括微rna、长链非编码rna和环状rna)在血脑屏障调节和一系列神经系统疾病中的作用。

血脑屏障仍然是治疗包括遗传疾病在内的神经系统疾病的巨大障碍。虽然治疗人类疾病的生物制剂领域有了很大的发展，但这些制剂很少越过血脑屏障。例如，蛋白质通常具有非常低的血脑屏障通透性，许多研究都集中在增强摄取上。Sahin等。[29讨论这与治疗粘多糖病的关系。这些溶酶体贮积障碍的全身影响可以通过酶替代疗法得到改善，但这些酶不能穿过血脑屏障。Sahin等。[29描述目前用于增强酶向大脑传递的方法。绕过血脑屏障的一种方法是直接注入脑脊液。然而，Kahni等人。[30.]通过建模表明，不同的注射参数和患者生理的差异可以改变通过这一途径给药(包括基因治疗)。

总之，本专题系列展示了正在进行的研究的广度，研究遗传疾病对BBB/NVU的影响，使用遗传操作来了解BBB, BRB和BCSFB的生理和病理，探索表观遗传调控，并设计允许治疗方法进入大脑治疗中枢神经系统遗传疾病。希望这样的研究和我们更深入的了解将有助于开发中枢神经系统遗传疾病和其他神经系统疾病的治疗方法。