肌萎縮側(cè)索硬化的分子遺傳學(xué)和發(fā)病機(jī)制進(jìn)展

孫梅影 丁衛(wèi)江

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院，江西 南昌 330006)

肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)主要累及大腦皮質(zhì)、腦干、脊髓前角等處的運動神經(jīng)元，導(dǎo)致運動神經(jīng)元細(xì)胞死亡。發(fā)病率約為2～3/10萬，80%～90%的患者于病后3～5年死亡。其病因與發(fā)病機(jī)制尚不明確〔1〕?，F(xiàn)將近年來ALS分子遺傳學(xué)及發(fā)病機(jī)制研究的新進(jìn)展綜述如下。

1 遺傳基因

1.1家族性ALS(FALS)的遺傳基因 FALS目前主要有12個亞型：ALS1～ALS8、合并ALS的額顳葉癡呆綜合征、X性連鎖遺傳的ALS、關(guān)島型ALS-Parkinson-癡呆綜合征、進(jìn)行性下運動神經(jīng)元疾病等。

按照遺傳方式，F(xiàn)ALS可分為常染色體顯性(AD)遺傳和常染色體隱性(AR)遺傳,前者占絕大多數(shù)，后者罕見。按照起病年齡，可分為兩種：成年型FALS和青少年型FALS，二者以25歲為界線。成年型FALS有很多種類：其中以ALS1最常見，呈AD遺傳，其致病基因定位于21q22，與銅/鋅超氧化物歧化酶1(Cu/Zn-SOD1)基因的突變有關(guān)。ALS6少見，以AD遺傳為主，偶有AR遺傳，與致病基因與FUS/TLS有關(guān)〔2〕。青少年型FALS主要有以下幾種：(1)ALS2，呈AR遺傳，其致病基因定位于2q33，與Alsin基因的突變有關(guān)。(2)ALS4，呈AD遺傳，其致病基因定位于9q34，與Senataxin基因的突變有關(guān)。(3)ALS5，呈AR遺傳，其致病基因定位于15ql5-q21，具體尚不清。

1.2散發(fā)性ALS(SALS)的遺傳基因 近幾年隨著分子遺傳學(xué)的研究進(jìn)展，SALS的遺傳基因逐漸被人們所接受。人們提出了很多假說：(1)某些蛋白質(zhì)在神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)異常聚集，其在ALS發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮非常重要的作用：TDP-43和fused-in-sarcoma(FUS)聚集；(2)某些具有代表性的基因共同作用于RNA加工途徑導(dǎo)致ALS的發(fā)生：Ataxin-2基因。

1.2.1TDP-43 和FUS聚集 有研究表明在所有的SALS患者中有TDP-43在神經(jīng)元細(xì)胞中異常聚集，但在SOD1相關(guān)的FALS患者中沒有出現(xiàn)〔3〕。因此，普遍認(rèn)為TDP-43蛋白在神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)異常聚集與ALS的發(fā)生和發(fā)展息息相關(guān)，特別是SALS。TDP-43主要影響RNA和DNA的加工過程，從而導(dǎo)致ALS的發(fā)生。也有研究發(fā)現(xiàn)TDP-43沉著物主要在蛋白酶體中代謝和崩裂，最終導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞死亡。在Chio等〔4〕的研究中發(fā)現(xiàn)有5%SALS患者TARDBP基因突變導(dǎo)致細(xì)胞中有TDP-43異常聚集，在歐洲人群中28.7%的ALS與TARDBP基因突變有關(guān)，在薩丁尼亞人群中40%的SALS與 TARDBP突變有關(guān)。另有Vance等〔5〕研究發(fā)現(xiàn)FUS沉著物發(fā)生與FUS基因突變有關(guān)。FUS基因突變普遍存在于青少年ALS患者中，并且合并有額顳葉癡呆〔6〕。

1.2.2Ataxin-2基因 已有最新研究報道，北美ALS患者Ataxin-2基因中的中等長度多聚谷氨酰胺(polyQ)擴(kuò)增(27-33 Qs)為散發(fā)性ALS的遺傳危險因素，Ataxin-2基因中的polyQ擴(kuò)增提高了ALS的危險性〔7〕。Lee等〔8〕研究表明：Ataxin-2基因中等長度的polyQ蛋白重復(fù)擴(kuò)增與歐洲隊列研究中的ALS風(fēng)險增加息息相關(guān)。不過，不同人群特異性polyQ蛋白長度似乎各有不同，較長的重復(fù)相關(guān)性明顯。Ataxin-2編碼的是一種RNA聯(lián)合蛋白，主要通過作用于RNA加工途徑導(dǎo)致ALS〔9〕。

2 發(fā)病機(jī)制

ALS的發(fā)病機(jī)制有很多假說〔10〕,主要包括Cu/Zn-SOD1基因突變、谷氨酸興奮性毒性、自身免疫機(jī)制、氧化應(yīng)激等。但以上發(fā)病機(jī)制均以運動神經(jīng)元的損害為核心。最新研究表明，非運動神經(jīng)元細(xì)胞特別是小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞與運動神經(jīng)元的相互作用在ALS發(fā)病中的作用越來越受關(guān)注〔11〕。

2.1Cu/Zn-SOD1基因突變 Cu/Zn-SOD1基因位于21q22，長11 kb，內(nèi)含5個外顯子，編碼153個氨基酸，組成32 kD的Cu/Zn SOD蛋白。Cu/Zn SOD蛋白是一種同源二聚體，內(nèi)含兩個方向相反的亞基，每個亞基上結(jié)合一個Cu和一個Zn。正常時，Cu位于袋底，參與催化反應(yīng)，Zn位于袋口，起到維持袋形和Cu的穩(wěn)定性作用?，F(xiàn)在至少有105種不同SOD1突變體在FALS患者SOD1基因中被發(fā)現(xiàn)，致病性的基因突變位點分布于整個SOD序列的153個氨基酸上，包含在該蛋白的每個結(jié)構(gòu)功能域中。大多數(shù)為錯義突變，引起表達(dá)蛋白中某個氨基酸被其他氨基酸替換，該類氨基酸部位至少有64個，如外顯子1中密碼子4位的丙氨酸(Ala)突變?yōu)槔i氨酸(Va1)，即Ala～Val，為最常見的突變位點(占40%～50%)。錯義性突變?yōu)楝F(xiàn)今的研究熱點。少數(shù)為非錯義突變，表現(xiàn)為氨基酸殘基的移碼、平截、缺失或插入突變。尚無資料顯示病情嚴(yán)重程度、進(jìn)展以及病程長短與不同突變類型之間有相關(guān)性。

SOD1是SOD家族中最重要的一種抗氧化酶，其基本功能是催化O2轉(zhuǎn)化為H2O2，維持細(xì)胞內(nèi)活性氧內(nèi)穩(wěn)態(tài)的平衡，以達(dá)到解毒的目的。SOD1發(fā)生突變，與鋅的結(jié)合力下降，Cu/Zn SOD蛋白穩(wěn)定性下降，引起線粒體空泡化和膨脹，導(dǎo)致對運動神經(jīng)元的毒性作用。

最初認(rèn)為SOD1突變體導(dǎo)致ALS的原因可能與酶失活有關(guān)，然而大量研究表明，SOD1突變體導(dǎo)致ALS的原因是突變產(chǎn)生的獲得性毒性新功能，機(jī)制尚不清楚，可能有：(1)突變的SOD1異常氧化損傷機(jī)制：突變的SOD1導(dǎo)致編碼的蛋白質(zhì)活性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，Cu暴露，作為氧化損傷反應(yīng)的催化劑，激活NO合酶，過多的NO與超氧陰離子自由基自發(fā)反應(yīng)，生成過氧亞硝基陰離子，當(dāng)它進(jìn)入活性部位后會發(fā)生酪氨酸硝基化反應(yīng)。(2)SOD1聚集毒性機(jī)制：最近美國研究人員發(fā)現(xiàn)了ALS的病變組織中蓄積了大量錯誤折疊蛋白質(zhì)聚集體。大量研究證實〔12〕，這種錯誤折疊蛋白質(zhì)以NF2000為主，是反映神經(jīng)元和突觸功能狀況的內(nèi)在標(biāo)志物。ALS患者的腦脊液中也出現(xiàn)大量的NF2000。SOD1聚集機(jī)制：SOD1的突變會導(dǎo)致正常SOD1蛋白(特別是未成熟SOD1)被召集并通過形成分子間的二硫鍵鏈接，導(dǎo)致SOD1蛋白錯誤折疊，使得不可溶性聚積物的形成。其聚集物的毒性機(jī)制有以下幾種假設(shè)：(1)突變SOD1聚集抑制細(xì)胞器的特定功能，如線粒體的抗氧化功能；(2)SOD1突變會加速SOD1聚集或與其他細(xì)胞內(nèi)組分形成共聚體或交聯(lián)體，使多種細(xì)胞功能失?！?3〕；(3)SOD1突變體的聚集導(dǎo)致體內(nèi)重要成分丟失；(4)突變SOD1聚集介導(dǎo)目前尚不知的化學(xué)反應(yīng)；(5)突變SOD1聚集可能會降低蛋白酶體降解錯誤折疊的蛋白質(zhì)和其他重要有害成分的功能〔14〕。因此，SOD1突變形成的寡聚體產(chǎn)生的毒性在ALS病程中發(fā)揮著重要作用。

2.2興奮性毒性作用 L-谷氨酸是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中非常重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。突觸間隙中的谷氨酸過多蓄積及谷氨酸能神經(jīng)元過度激活均可通過激活谷氨酸受體，導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元及其周圍組織的損傷。谷氨酸增高的原因可能為：(1)谷氨酸轉(zhuǎn)運體功能缺失；(2)谷氨酸受體亞基的基因缺陷導(dǎo)致谷氨酸受體功能異常；(3)谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白異常導(dǎo)致谷氨酸攝取減少。對于各環(huán)節(jié)在發(fā)病機(jī)制中的具體作用仍存在爭論。有研究者將含有較高水平谷氨酸的ALS患者的血清加入腹角運動神經(jīng)元明顯減少，這支持谷氨酸介導(dǎo)的興奮性毒性作用ALS器官型脊髓培養(yǎng)模型中，培養(yǎng)4 w后,與正常對照組相比,發(fā)現(xiàn)脊髓在ALS發(fā)病中具有重要作用。根據(jù)ALS“谷氨酸的興奮性毒性作用”學(xué)說，已有針對性的ALS治療藥物利魯唑，它是一種谷氨酸的抑制劑，大規(guī)模臨床試驗表明雖然利魯唑不能改善ALS病人的運動功能，但可延長病人的生存期〔15〕。

2.3自身免疫機(jī)制 ALS與體液免疫密切相關(guān)。如通過對一系列ALS病例的研究發(fā)現(xiàn)，ALS患者血清中存在大量異常的免疫球蛋白、免疫復(fù)合物，以及IgA、IgE升高。抗神經(jīng)元抗體研究表明，ALS患者的血清和腦脊液中有抗神經(jīng)元結(jié)構(gòu)成分抗體，且腦脊液中抗神經(jīng)元抗體高于血清。ALS不但與體液免疫有關(guān)，而且也與細(xì)胞免疫異常有關(guān)。隨著研究不斷深入，ALS與自身免疫的關(guān)系正逐步明顯，但是目前臨床上應(yīng)用免疫抑制劑治療ALS并未取得明顯療效。

2.4氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是由于體內(nèi)的自由基明顯升高和(或)機(jī)體的抗氧化防御功能下降所致的一種病理狀態(tài)。機(jī)體內(nèi)的自由基通常包括活性氧類(ROS)、活性氮類(RNS)等。這些自由基氧化修飾糖、蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)，改變它們的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致核損傷、蛋白酶體抑制、線粒體損傷和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，影響細(xì)胞正常生理功能，最后導(dǎo)致細(xì)胞變性壞死。氧化應(yīng)激損傷生物體的機(jī)制可能有以下幾方面：(1)導(dǎo)致多糖分子聚合和降解;(2)使蛋白質(zhì)發(fā)生肽鍵斷裂、氨基酸殘基轉(zhuǎn)化、交聯(lián)及電荷變化，引起蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，從而使酶及其相應(yīng)受體功能產(chǎn)生異常;(3)誘導(dǎo)RNA、DNA的交聯(lián)和氧化，導(dǎo)致堿基突變、RNA和DNA斷裂、染色體畸變等;(4) 也可作用于多價不飽和脂肪酸，引起生物膜的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，從破壞細(xì)胞膜的完整性、通透性和流動性，造成細(xì)胞內(nèi)鈣離子超載。

和其他器官相比，運動神經(jīng)系統(tǒng)更易受到氧化性損傷，這是因為運動神經(jīng)組織需要支持強壯骨骼肌，對能量需求很高，含有的大量神經(jīng)絲蛋白極易受到氧化損傷，而且缺乏有效的抗氧化防御機(jī)制。當(dāng)機(jī)體處于氧化應(yīng)激和老化狀態(tài)時，線粒體呼吸鏈生成的ROS會相應(yīng)增加，此時線粒體不僅是ROS的產(chǎn)生器官，同時也是ROS毒性作用的靶器官。

氧化應(yīng)激與其他的神經(jīng)毒性因素相互作用，如SOD1基因突變、谷氨酸興奮性毒性作用、NO、鈣離子超載、能量障礙、年齡相關(guān)的線粒體損傷等。雖然這些通路中的任何一個發(fā)生紊亂都可以導(dǎo)致運動神經(jīng)元損害，但哪個起主導(dǎo)作用以及各通路之間是怎樣相互作用的，將成為人們關(guān)注的焦點。

2.5膠質(zhì)細(xì)胞功能紊亂 研究發(fā)現(xiàn)運動神經(jīng)元周圍膠質(zhì)細(xì)胞對運動神經(jīng)元變性有很大的影響。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的周圍膠質(zhì)細(xì)胞有小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞，在中樞受傷后迅速被激活，釋放毒性和炎癥介質(zhì)，使神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞損傷。小膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞形成網(wǎng)絡(luò)鏈接，生理條件下網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用構(gòu)成有機(jī)的生存環(huán)境。

小膠質(zhì)細(xì)胞占膠質(zhì)細(xì)胞總數(shù)的5%～20%左右，具有免疫活性和吞噬功能。參與對中樞系統(tǒng)微環(huán)境的監(jiān)測和免疫應(yīng)答。有研究發(fā)現(xiàn)在ALS患者中出現(xiàn)大量激活的小膠質(zhì)細(xì)胞，利用電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描(PET)顯影，在ALS患者的運功皮質(zhì)、額葉前部、丘腦和腦橋均觀察到激活的小膠質(zhì)細(xì)胞。隨著研究進(jìn)一步深入，ALS動物模型及ALS患者的病理變化均證實在ALS發(fā)病過程中存在小膠質(zhì)細(xì)胞激活。近年來，越來越多的證據(jù)強有力地說明小膠質(zhì)細(xì)胞參與了ALS病變過程中運動神經(jīng)元丟失的觸發(fā)和病情的進(jìn)展惡化〔16〕。

小膠質(zhì)細(xì)胞激活后的作用很復(fù)雜，最終結(jié)果可能依賴于氧化應(yīng)激作用、細(xì)胞炎性因子及其與神經(jīng)元的交互作用等。(1)氧化應(yīng)激作用：小膠質(zhì)細(xì)胞中煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)氧化酶激活產(chǎn)生ROS、NO后，使線粒體腫脹，導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。有研究者利用基因敲除NADPH氧化酶催化亞單位gp91phox，可觀察到gp91phox基因敲除小鼠的病理變化和癥狀表現(xiàn)均明顯改善〔17〕。(2)細(xì)胞炎性因子：激活的小膠質(zhì)細(xì)胞釋放大量如TNF-α、IL-6等炎癥因子。(3)小膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元間的交互作用：經(jīng)過總結(jié)相關(guān)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者間可通過分泌的蛋白質(zhì)、細(xì)胞因子、膜表面受體、嘌呤類物質(zhì)等相互作用。

3 展 望

ALS是一種慢性進(jìn)行性、致死性的運動神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病。隨著分子遺傳學(xué)的最新研究進(jìn)展，ALS新基因的不斷發(fā)現(xiàn)，為ALS分子發(fā)病機(jī)制提供了可靠的理論基礎(chǔ)。ALS并不是單一因素作用的結(jié)果，而是由多種因素相互作用、相互影響，非運動神經(jīng)元細(xì)胞特別是小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞與運動神經(jīng)元的相互作用在ALS發(fā)病中的作用倍受關(guān)注，為ALS有效治療藥物的開發(fā)和應(yīng)用指明了方向。

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