脊髓性肌萎縮癥表型及相關(guān)基因的研究進展

吳 霞(綜述)， 李 梅(審校)

脊髓性肌萎縮癥(spinal muscular atrophy,SMA)是一種神經(jīng)肌肉受累的常染色體隱性遺傳病，其特征是下運動神經(jīng)元變性，主要癥狀為進行性對稱性肌無力、肌肉萎縮、肌張力降低。病情輕者僅表現(xiàn)為輕度肌無力，預(yù)期壽命不受影響，嚴(yán)重者可并發(fā)危及生命的呼吸衰竭。發(fā)病年齡范圍跨度大，從出生至成人階段均可出現(xiàn)。該病在歐美活嬰中發(fā)病率為1/10 000，攜帶率為1/40～1/50，中國暫缺人群發(fā)病率相關(guān)報道，人群攜帶率約為1/42[1],是嬰兒死亡的主要遺傳原因。本文對該病主要系統(tǒng)受累情況及基因相關(guān)研究這兩方面進行綜述。

1 表型分型與主要系統(tǒng)受累情況

1.1表型分型 該病是由運動神經(jīng)元存活基因1(survival motor neuron 1,SMN1)突變所導(dǎo)致的常染色體隱性疾病。最初根據(jù)發(fā)病年齡及能達成的最大運動里程碑主要分為四種類型(1～4型)：1型，生后6個月內(nèi)發(fā)病，所獲得最大運動能力不能獨坐，存活年齡一般不超過2歲；2型，生后6～18個月發(fā)病，最大運動能力能獨坐，多數(shù)可活到成年期；3型，生后18個月～21歲發(fā)病，可獨坐，部分早期運動發(fā)育正常，后逐漸喪失獨走能力，預(yù)期壽命輕度縮短或正常；4型，21歲后發(fā)病，即成人型，早期運動發(fā)育正常，病情進展緩慢，預(yù)期壽命不受影響[1]。有研究[2]將產(chǎn)前發(fā)病，病情最嚴(yán)重的這一類患者歸為0型。部分患兒在產(chǎn)前可表現(xiàn)為孕晚期胎動減少或者消失，胎兒頸后透明帶厚度增加，羊水異常，生后不久即需要機械通氣支持。

1.2主要系統(tǒng)受累情況 傳統(tǒng)觀念認為該病僅累及下運動神經(jīng)元。近年來，越來越多研究表明SMA是一種多系統(tǒng)受累疾病，主要包括心血管、消化、代謝、內(nèi)分泌等系統(tǒng)[3]。

1.2.1 心血管系統(tǒng) 這是SMA除神經(jīng)肌肉系統(tǒng)外最常累及的系統(tǒng)。心臟受累主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)異常、心律失常。心臟結(jié)構(gòu)異常以房間隔缺損、室間隔缺損多見，此外還有主動脈縮窄、動脈導(dǎo)管未閉等。在0型和1型SMA患者中多種心臟結(jié)構(gòu)異?？赏瑫r存在[2，4]。SMA患者最常見緩慢性心律失常，其中1型患兒可能出現(xiàn)嚴(yán)重癥狀性心動過緩，有的甚至發(fā)展為心臟停跳[2，4-5]。另外，2型、3型SMA患者可能出現(xiàn)PR間期和QRS波時限延長，且P波、QRS波振幅降低[5]；SMA 3型患者出現(xiàn)右束支傳導(dǎo)阻滯、房室傳導(dǎo)阻滯等情況[4]。有報道[6]發(fā)現(xiàn)了部分SMA 0型患者有肢端壞死，這可能與血管功能障礙有關(guān)。有研究[7]報道，SMA 1型、2型患者和嚴(yán)重型SMA小鼠出生時與正常對照沒有明顯差別，但隨著時間延長均出現(xiàn)骨骼肌毛細血管與脊髓毛細血管明顯減少。血管分布數(shù)量減少可能導(dǎo)致肌肉纖維、運動神經(jīng)末梢和脊髓缺血缺氧性損傷。這些均提示該病存在血管功能及分布數(shù)量改變。

1.2.2 消化系統(tǒng) 有研究關(guān)于SMA的多學(xué)科管理中均強調(diào)了需對SMA患者胃腸道癥狀進行記錄，包括胃排空延遲、胃食管反流、便秘等情況[1，8]。其中，便秘與SMA患者運動減少(如長時間坐輪椅、臥床)有一定關(guān)系。而SMA動物研究[9]顯示在控制運動量、攝入食物和水這些可能影響胃腸道功能的變量下，SMA仍有胃腸道受累。SMA小鼠胃腸道長度與正常無明顯差異，主要不同在于腸神經(jīng)系統(tǒng)缺陷、消化道cajal間質(zhì)細胞減少。在嚴(yán)重型SMA小鼠中，還存在小腸絨毛數(shù)量減少情況[10]。有研究[11]報道，嚴(yán)重型SMA小鼠存在肝發(fā)育不全，通過基因治療恢復(fù)SMN蛋白水平后可獲得恢復(fù)。SMA患者尸檢報告和小鼠組織學(xué)研究[12]均顯示了肝脂肪變性。另外，主要由肝臟合成的血漿蛋白，包括血清蛋白、胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1,IFG-1)，在SMA患者或小鼠中亦有減少[12]。

1.2.3 代謝系統(tǒng) 有研究[12]報道，SMA小鼠存在脂肪酸代謝異常，SMA患者及動物存在血脂異常和肝脂肪變性，血糖和糖化血紅蛋白水平降低。另一項研究[13]報道，嚴(yán)重型SMA小鼠胰腺缺陷和葡萄糖耐受不良，即胰腺α細胞增多，β細胞減少，臨床表現(xiàn)為空腹高血糖、高胰高血糖素血癥、胰島素敏感。這兩項研究關(guān)于血糖部分存在差異，可能因為SMA患者體重過低、肌肉含量減少、分解代謝不足而出現(xiàn)低血糖。另外，部分SMA患者家庭發(fā)現(xiàn)“氨基酸飲食”(即減少脂肪攝入、使用氨基酸和其他成分)對患者有一定益處。最近,SMA小鼠代謝研究[14]報道了低脂飲食能延長SMA小鼠的生存時間。作者推測可能與高碳水化合物、低脂飲食可控制游離脂肪酸水平,減少二羧酸循環(huán)因子產(chǎn)生(這對SMA患者有潛在毒性作用)有關(guān)。結(jié)果提示了飲食結(jié)構(gòu)也可能影響該病預(yù)后，但目前尚缺乏調(diào)整SMA患者飲食結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究。

1.2.4 泌尿生殖系統(tǒng) SMA 1型患者尸檢報告發(fā)現(xiàn)腎管狀結(jié)構(gòu)異常，包括刷狀緣消失、上皮細胞扁平及脫落等。另外，研究發(fā)現(xiàn)患者死亡前，出現(xiàn)血清肌酐、半胱氨酸蛋白酶抑制物C、鈉和鈣離子濃度等異常，以及顆粒管型尿[15]。但腎臟改變是繼發(fā)于肌肉萎縮、骨代謝異常還是由運動神經(jīng)無存活(survival motor neuron protein,SMN)蛋白缺乏直接所致目前尚無定論。除腎臟外，SMA 1型和2型患者尿失禁發(fā)生率較高，通常被認為是骨盆底肌肉和尿道外括約肌無力引起。但也有研究[15]報道SMA小鼠存在膀胱平滑肌纖維減少，繼而出現(xiàn)“溢出性尿失禁”。神經(jīng)肌肉電刺激可有效改善盆底肌無力情況[16]。這提示我們可使用這技術(shù)治療SMA患者尿失禁，結(jié)合上述提及存在膀胱肌纖維減少情況，神經(jīng)肌肉電刺激效果可能不佳。有研究[17]報道SMN蛋白對維持精原細胞存活有重要作用，SMA小鼠出現(xiàn)了性腺質(zhì)量下降，伴精原細胞特異性標(biāo)記丟失情況。但SMA患者是否存在性腺功能異常尚缺乏相關(guān)報道。

1.3輔助檢查所見

1.3.1 神經(jīng)電生理 由于SMA主要累及脊髓下運動神經(jīng)元，故肌電圖表現(xiàn)為神經(jīng)源性損害(自發(fā)放電增多、去神經(jīng)支配)，典型者可有下肢重于上肢，近端重于遠端特征。其中，纖顫電位和正相尖波多見于SMA 1型，束顫電位多見于SMA 3型。嚴(yán)重型SMA患者在癥狀前的復(fù)合肌肉動作電位(compound muscle action potential,CMAP)和健康兒相似，出現(xiàn)運動功能喪失后可表現(xiàn)為CMAP波幅下降[18]。恢復(fù)SMN后，CMAP也逐漸糾正[18]。這些提示CMAP波幅可作為評估病情、進展及療效的生物標(biāo)志物。

1.3.2 影像學(xué) 有研究[19]報道SMA 0型患者頭顱磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)變化情況，隨著病情進展，患者幕上腦萎縮(皮質(zhì)下腦萎縮，胼胝體變細，腦溝、腦室增寬)進行性加重，主要是白質(zhì)減少，海馬嚴(yán)重萎縮。另外，在T2加權(quán)圖像上顯示了丘腦和基底節(jié)高信號。這種改變主要發(fā)生在嚴(yán)重缺血缺氧性腦病中。雖然SMA患者的腦組織病理報告了丘腦受累情況，但目前尚無更多證據(jù)證明患者早期無缺血缺氧事件參與。最近有研究[20]報道SMA 2型和3型患者肌肉MRI脂肪浸潤分?jǐn)?shù)、肌肉萎縮分?jǐn)?shù)與運動功能評分呈負相關(guān)。但目前尚缺乏正常人年齡相關(guān)肌肉MRI變化數(shù)據(jù)作為對照，評估肌肉MRI成為該病敏感性檢查手段。

2 相關(guān)基因

2.1SMN1基因 SMA是單基因遺傳病，SMN1基因為致病基因，與其高度同源的運動神經(jīng)元存活基因2(survival motor neuron 2,SMN2)基因為疾病修飾基因。所有SMA患者均存在SMN1雙等位基因突變，突變形式主要為第7或第7、8外顯子純合缺失突變，約占96%。在SMA 1型患者中多為真正的SMN1基因純合缺失，SMA 2型或3型中可出現(xiàn)SMN1基因轉(zhuǎn)化為SMN2基因，使SMN2基因拷貝數(shù)增多。另外，若發(fā)生不完全轉(zhuǎn)換，會出現(xiàn)SMN1/SMN2融合基因。另一種突變?yōu)閺?fù)合雜合突變，約占4%，即1個SMN1基因缺失伴隨另1個SMN1基因內(nèi)的微小突變。微小突變包括錯義突變、無義突變、移碼突變和剪接位點突變。國內(nèi)學(xué)者通過改良反轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)技術(shù)識別SMN1微小突變，中國人群最常見的SMN1基因微小突變形式為發(fā)生在1號外顯子c.22dupA(p.Ser8Lysfs*23)[21]。另外，SMN1基因常見突變位點具有種族差異[22-23]，在波蘭最常見為p.Thr274Ile1，德國是p.Tyr272Cys，在高加索人還包括發(fā)生于6號外顯子c.770_780dup11(p.Gly261Leufs*8)、c.815A>G(p.Try272Cys)和c.821C>T(p.Thr274Ile)。還有一種突變方式較為罕見，即2個SMN1基因均發(fā)生微小突變。此種突變目前僅在近親婚配家庭中發(fā)現(xiàn)過，國內(nèi)尚無報道。除此之外，SMN1基因c.885+83T>G和c.885+667delAT這兩種突變與SMN1基因“2+0”型(一條5號染色體SMN1基因拷貝數(shù)為2，另一條缺少SMN1基因)有關(guān)，這有助于更好地篩出“2+0”型攜帶者[24]。另外，SMN1基因、SMN2基因拷貝數(shù)在不同種族人群中也有明顯差異[25]。相比其他種族人群，非裔SMN1基因拷貝數(shù)更多，SMN2拷貝數(shù)更少，且缺失7號和8號外顯子SMN1或SMN2基因這一變異體的拷貝數(shù)與SMN2拷貝數(shù)呈負相關(guān)。亞裔SMN基因拷貝數(shù)情況與其他種族相似。

2.2表型修飾基因 隨著近些年對其表型修飾基因的不斷研究，發(fā)現(xiàn)可能的表型修飾基因主要有以下幾類。

2.2.1 SMN2基因 SMN2基因拷貝數(shù)與SMA病情嚴(yán)重程度呈負相關(guān)。SMA 0型中SMN2拷貝數(shù)多為1[2]，1型拷貝數(shù)多為2，2型拷貝數(shù)多為3，3型多為3～4，4型多為4[26]。最近國內(nèi)關(guān)于SMA患兒家庭SMN1和SMN2拷貝數(shù)的家系研究發(fā)現(xiàn)，父母雙方SMN2基因平均拷貝數(shù)可在一定程度上預(yù)測其子代病情嚴(yán)重程度，若親代SMN2平均拷貝數(shù)為3，則其患病子代均為SMA 2型或3型[27]。值得一提的是，SMN2拷貝數(shù)與臨床分型并非完全對應(yīng)。一些研究對SMN2基因進行測序分析發(fā)現(xiàn)，SMN2內(nèi)c.859G>C突變與較輕病情相關(guān)。可能由于該變異體增加了SMN2外顯子7被包含的可能性，使其能產(chǎn)生更多的全長SMN蛋白，出現(xiàn)SMN2拷貝數(shù)少但臨床表現(xiàn)高于預(yù)期的情況，若該變異體為純合，病情可能更輕[26]。c.859G>C突變幾乎沒有發(fā)生在SMA 1型患者中。另外有研究發(fā)現(xiàn)SMN2內(nèi)含子6中A-44G、A-549G和C-1897T突變也有一定疾病修飾作用[28]。若SMN2基因出現(xiàn)甲基化也會使病情比預(yù)期更嚴(yán)重[29]，用DNA去甲基化劑處理成纖維細胞后SMN2基因表達升高。

2.2.2 鋅指蛋白1(zinc finger protein 1,ZPR1)基因

該基因表達ZPR1蛋白，其存在于細胞質(zhì)和細胞核中，參與細胞周期調(diào)控、pre-mRNA剪接、髓鞘形成和軸突形成等過程。該蛋白是SMN2基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，能夠增加SMN蛋白表達水平。有研究報道[29]，SMA患者和老鼠模型ZPR1蛋白表達有下調(diào)現(xiàn)象，會導(dǎo)致膈神經(jīng)的髓鞘增生和軸突變性，加重了SMA的呼吸功能障礙。通過SMA小鼠過度表達ZPR1蛋白，能增加SMN蛋白水平，延長小鼠壽命，能讓其從嚴(yán)重型轉(zhuǎn)變?yōu)檩^輕型[30]。

2.2.3 神經(jīng)細胞凋亡抑制蛋白(neuronal apoptosis inhibitory protein,NAIP)基因 同樣位于5q13，與SMN1相鄰，是運動神經(jīng)元凋亡的負調(diào)控因子，亦被認為是SMA表型修飾基因。全長約70 kb，有16個外顯子，多數(shù)為外顯子5或6缺失，其編碼的NAIP蛋白可抑制細胞凋亡，功能缺失可使前角運動細胞過度凋亡，導(dǎo)致運動神經(jīng)元受損，引起繼發(fā)性肌肉萎縮，加重SMA病情。研究[31]發(fā)現(xiàn)同一類型SMA患者中，相比無NAIP缺失，有該基因缺失發(fā)病時間提前，常出現(xiàn)呼吸困難等嚴(yán)重癥狀，死亡風(fēng)險更高。總之，NAIP拷貝數(shù)與SMA表型嚴(yán)重程度呈負相關(guān)。進行遺傳咨詢和預(yù)后評估時，可以結(jié)合SMN2拷貝數(shù)和NAIP拷貝數(shù)。

2.2.4 網(wǎng)質(zhì)3(plastin 3,PLS3)基因 其定位于X染色體q23，是SMA正向調(diào)控基因。PLS3蛋白過度表達能增加運動軸突穩(wěn)定性，改善內(nèi)吞作用，改善神經(jīng)肌肉連接，延長生存[32]。通過對年齡大于3歲的女性SMA患者外周血PLS3表達水平的研究[33]發(fā)現(xiàn)，表型較輕者該蛋白水平較高，在男性患者中無明顯差異。有兩種與PLS3蛋白相互作用，同樣具有SMA修飾作用的蛋白：一種是與PLS3相互作用的冠蛋白1C(CORO1C)，其與PLS3的直接結(jié)合依賴于鈣，其修飾作用與PLS3相似，過度表達能挽救SMA斑馬魚模型中截斷的軸突[32]；另一種是作為PLS3的直接相互作用鈣調(diào)磷酸酶B同源蛋白1(CHP1)[34]，在神經(jīng)元組織中表達尤其豐富，包括海馬、皮質(zhì)、小腦和脊髓，SMA小鼠模型研究顯示該蛋白表達水平下調(diào)可以改善內(nèi)吞作用，恢復(fù)軸突生長，延長壽命。

2.2.5 神經(jīng)鈣蛋白δ(neurocalcin delta,NCALD)基因 該基因表達的NCALD蛋白是鈣依賴性內(nèi)吞負調(diào)控因子，表達下調(diào)對SMA表型具有保護作用；通過敲除包括蠕蟲、斑馬魚和小鼠SMA動物模型NCALD基因證實其表達下調(diào)能改善軸突發(fā)育、神經(jīng)肌肉接頭突觸功能[35]。最近通過小劑量SMN-反義寡核苷酸(SMN-antisense oligonucleotide,SMN-ASO)皮下注射和NCALD-ASO單次腦室內(nèi)注射聯(lián)合治療SMA小鼠表明，其顯著改善了神經(jīng)肌肉連接和肌肉的電生理特征[36]。這為聯(lián)合SMN依賴性治療和非SMN依賴性治療方案提供了一定參考。

3 結(jié)語

SMA是多系統(tǒng)受累疾病，目前靶向治療如諾西那生、索伐瑞韋主要針對運動神經(jīng)元，患者后期是否會出現(xiàn)其他系統(tǒng)表現(xiàn)尚需繼續(xù)觀察?；颊吲R床表型差異大，與SMN2基因、ZPR1基因、NAIP基因、PLS3基因等多個修飾基因密切相關(guān)，但通過基因型精確預(yù)測臨床表型仍存在困難，需要進一步研究。通過對發(fā)病機制、修飾基因的研究，新的治療方案如SMN依賴性和非SMN依賴性聯(lián)合治療在SMA動物模型中也取得了一定效益。但目前治療方案遠期療效及不良反應(yīng)仍需繼續(xù)評估。