《Scientific Reports》：Parp1 deletion rescues cerebellar hypotrophy in xrcc1 mutant zebrafish
編輯推薦：
問題 2
編輯推薦：針對 DNA 單鏈斷裂修復缺陷相關神經疾�。ㄈ� SCAR26），研究人員以斑馬魚為模型，探討 XRCC1 與 PARP1 在小腦發育中的作用。發現 xrcc1 缺失致小腦板發育異常，而 parp1 缺失可挽救該缺陷，為 PARP1 抑制劑用于神經疾病治療提供依據。
問題 5
研究背景與意義
在生命的運轉過程中，DNA 時刻面臨著內外部因素的威脅，單鏈斷裂（SSB）是細胞中最常見的 DNA 損傷類型之一。這些損傷若不能及時修復，可能引發嚴重后果。已知 DNA 單鏈斷裂修復缺陷與多種神經發育和神經退行性疾病相關，例如脊髓小腦性共濟失調常染色體隱性 26 型（SCAR26），其病因是 XRCC1 基因發生突變。XRCC1 是 DNA 單鏈堿基修復中的核心支架蛋白，它與 PARP1（聚 ADP 核糖聚合酶 1，能檢測并被 DNA 單鏈斷裂激活）之間存在緊密的調控關系。正常情況下，PARP1 在 DNA 單鏈斷裂位點招募 XRCC1，而 XRCC1 又負調控 PARP1，防止其過度結合和激活，避免產生毒性效應。但在 XRCC1 缺失時，PARP1 會在斷裂位點過度積累并過度激活，導致修復缺陷，這可能是 SCAR26 等疾病病理變化的關鍵機制。然而，這一調控關系在不同物種中的表現尚不完全明確，尤其是在斑馬魚等模式生物中的情況亟待研究。
為了深入探究這一機制并尋找潛在治療方法，美國國立兒童健康與人類發展研究所（Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development）的研究人員開展了相關研究。他們以斑馬魚為模型，分析 XRCC1 和 PARP1 缺失對神經發育的影響，特別是小腦的發育情況。該研究成果發表在《Scientific Reports》上，為理解神經疾病的發病機制及開發新療法提供了重要線索。
主要研究技術方法
研究主要運用了以下關鍵技術：
- CRISPR 基因編輯技術：設計多組向導 RNA（gRNA），通過共注射到斑馬魚受精卵中，構建 xrcc1 和 parp1 基因敲除（crispants）的斑馬魚模型，以研究基因缺失的影響。
- RNA 測序（RNA-seq）：從斑馬魚頭部組織提取 RNA，進行測序分析，篩選出 xrcc1 缺失時差異表達的基因，探究基因表達變化。
- 腦形態計量學分析：利用三重轉基因斑馬魚（神經元標記為 mCardinal，谷氨酸能神經元標記為 GFP，GABA 能神經元標記為 RFP），通過共聚焦顯微鏡成像，結合彈性配準技術與斑馬魚腦圖譜對比，精確測量腦區體積和結構變化。
- 實時定量 PCR（RT-qPCR）：檢測 tp53 等基因的表達水平，驗證 RNA-seq 結果及 PARP1 缺失對 DNA 損傷響應的影響。
研究結果
1. xrcc1 缺失導致斑馬魚小腦板局部發育不全
通過 CRISPR 技術構建的 xrcc1 敲除斑馬魚（crispants）在發育早期外觀正常，但腦形態計量學分析發現，其小腦板的外側部分（LCeP）體積顯著減小，呈現雙側對稱的局部萎縮。該區域位于小腦連合上方，與視神經 tectum 尾部有部分重疊，表達標記物 en1b（與小腦神經元分化和存活相關），但缺乏成熟神經元和神經祖細胞標記物。RNA-seq 結果顯示，xrcc1 缺失導致 tp53 等 DNA 損傷響應基因上調，同時大量晶狀體蛋白（如晶體蛋白）異常表達，提示可能與氧化應激反應相關。
2. parp1 缺失挽救 xrcc1 突變斑馬魚的小腦缺陷
單獨敲除 parp1 的斑馬魚未顯示明顯腦結構異常。而同時敲除 xrcc1 和 parp1 的雙突變斑馬魚中，原本因 xrcc1 缺失導致的小腦板 LCeP 體積減小問題得到顯著改善，恢復至接近野生型水平。RT-qPCR 結果表明，xrcc1 缺失引起的 tp53 表達升高在雙突變體中被部分抑制，說明 PARP1 缺失可減輕 DNA 損傷響應。
研究結論與討論
本研究通過斑馬魚模型證實，XRCC1 缺失會導致小腦板局部發育不全，其機制與 PARP1 過度激活引發的 DNA 損傷和毒性效應密切相關。而抑制 PARP1 活性（如通過基因敲除）能夠有效挽救這一缺陷，為治療 XRCC1 相關神經疾�。ㄈ� SCAR26）提供了重要的理論依據。
研究還發現，xrcc1 缺失時晶狀體蛋白的異常表達可能與氧化應激或 DNA 損傷響應有關，提示晶狀體可能作為檢測 DNA 損傷的 “哨兵” 組織，這為進一步研究 XRCC1 功能提供了新方向。此外，盡管本研究中未檢測到 xrcc1 敲除斑馬魚的行為異常，這可能與小腦結構變化較輕微或物種差異有關，但結合其他斑馬魚神經疾病模型的結果，仍需進一步探索長期神經功能影響。
值得注意的是，目前臨床用于癌癥治療的 PARP 抑制劑多通過 “trapping” 酶結合 DNA 發揮作用，可能產生細胞毒性。而本研究提示，開發非 trapping 且能透過血腦屏障的 PARP 抑制劑，有望成為治療神經疾病的新策略。該研究不僅加深了對 DNA 修復與神經發育關聯的理解，也為靶向 PARP1 的神經疾病治療開辟了新途徑。
