SMA的治疗方法和发病机制绝对权威

脊髓性肌肉萎缩症的治疗方法和发病机制

运动神经元疾病就是神经系统发生失常。其主要特点是脊髓的运动神经元发生变性、骨骼肌的萎缩和衰弱，这些运动功能的障碍常常是致命的。脊髓性肌萎缩(SMA)是一种严重并且高发病率的常染色体隐形遗传的运动神经元疾病，也是导致婴儿死亡最常见的遗传性疾病。SMA是由运动神经元存活基因1(SMN1)的基因突变和运动神经元存活基因2（SMN2）多保留了一个亚等位旁系同源基因导致的。早期的研究建立了一个功能缺失的疾病机制，该机制涉及SMN的很多不足并且建议SMN作为一个可能的治疗方法。近年来在SMA动物模型上SMN基因对核糖核酸加工中的关键作用的试验，大大增强了我们对于该病的细胞以及分子基础方面的了解。SMA正成为一种RNA（核糖核酸）疾病不限于运动神经元细胞，甚至涉及到可能运动电传导的功能失常包含的多种亚神经元以及另外的细胞种类。SMA研究进展也导致一些可能有效治疗的发展，比如证明对临床试验中SMA的动物模型是有效的治疗。这些动物替代试验对于这仍然无法治愈的神经退行性疾病的治疗提供前所未有的希望。

Introduction引言

人类所必须的一些行为例如吞咽，呼吸,运动都依赖于精准的运行控制。在复杂的神经网中，运动神经元协调活动对于运动系统功能是至关重要的。破坏了神经网会导致对人的致命疾病如脊髓性肌萎缩(SMA)和脊髓侧索硬化性肌萎缩性症(ALS)，它们分别是婴儿期以及成人期两种最常见的运动神经元疾病。不断有证据将这些疾病和核糖核酸加工基因联系在一起，但这并不代表着解决它是治疗SMA或ALS的有效方式。社会及个人基金会和病患拥护的组织支持了学术和产业研究者们的努力，这些努力在SMA领域取得了巨大的科学进步。在这里，我们讨论对于SMA的分子和细胞的基本原理以及备选疗法的发展，旨在不久的将来减轻破坏性运动失常的造成的后果。

ClinicalfeaturesofSMASMA的临床表现

SMA是一种主要影响儿童的遗传性神经肌肉疾病。它是婴儿死亡的主要遗传原因,并且是继囊性纤维化病之后第二大最常见的常染色体隐形基因缺陷疾病（LunnandWang,)。每到个新生儿中就有一个受此疾病的影响，并且50个人中就会有1个携带者。SMA会导致脊髓前角细胞的α运动神经元发生退化和损失，导致肌无力，更严重的结局就是呼吸衰竭和死亡(CrawfordandPardo,).。近心端肌肉更容易受疾病的影响。比如较之下肢的肌肉，上肢就更容易受影响。SMA特异性易损性会导致运动神经元特有的症状，表明包含肋间，中轴肌以及横膈膜相对狭窄，这就导致了特有的钟状胸和反常呼吸。

根据发病年龄和疾病的严重程度对SMA曾做过广泛的临床试验，并且根据发病年龄和已获得的最高的运动技能时间表被分类为几个不同的类型(MunsatandDavies,)。患有严重的I型,也是最常见形式的SMA患者,表现为：出生后不久(6个月大的时候)，无法坐起来,并且无法活过两岁。患有中等程度(II型)的患者，该疾病影响在孩子18个月之前,他们可以笔直地坐着,但无法站起来。较轻度的疾病(III型)2岁后可以自己独立站立并且可以有一般人的寿命那么长。SMA其他的形式在最严重的两个极端中都已被识别出来：SMA0型是疾病的产前形式，无论是在子宫内或者出生后几个月都是同样致命的(MacLeodetal.,)，IV型是SMA的成人年形式，有轻微的肌无力不过能活到一般人的寿命(LunnandWang,)。所有的SMA患者，临床和电生理学研究与神经性失常是一致的。在这种失常中，疾病症状出现以后，运动单位的缺失和快速功能减退也会很快出现，接着会有一段平台期，在平台期中，肌肉的力量会保持稳定。(CrawfordandPardo,;Ian-nacconeetal.,;Swobodaetal.,)。较平和但不严重的SMA的形式可能是一些肌肉力量的保存和并行轴突生长以及肌纤维再生有联系，这是由大量运动单位和肌群纤维所体现出来的(CrawfordandPardo,).。SMA的治疗只限于症状和支持性治疗。

MoleculargeneticsofSMASMA的分子遗传学

虽然还没有有效的治疗方法可用于SMA患者。自从研究发现SMA是由纯合子缺失或是SMN1（一种编码了SMN蛋白质的基因）突变导致的，疾病的分子遗传学已经在二十年来被研究的很透彻了(Lefebvreetal.,)。由于染色体（5q）大量的反向复制，人类基因组包含两个SMN-译码基因,SMN1SMN2。尽管这两个基因是几乎相同的,SMN2的外显子7中单个的C组转移到T组打乱了一个外显子拼接，并且创造出一个外显子拼接(CartegniandKrainer,;KashimaandManley,)。结果，单个基底重新定向了可变剪接，然后外显子7被排除大多数的SMN2外(Lorsonetal.,;Monanietal.,)。外显子7-排除mRNA(SMN。17)编码一个缩短了的SMN蛋白质，该蛋白质迅速分级(LorsonandAndrophy,;ChoandDreyfuss,)。然而，一小部分来自SMN2的改版包括第7外显子和编码了功能完整的SMN。在SMA的情况下，其中SMN1突变或被消除提供了足够多的SMN以防止破坏性，但还不足以完全弥补SMN1的损失，导致运动神经元疾病重要的是,由于5q染色体复制内在的不稳定性，大量SMN2的副本中出现在人类基因组并且SMN2复制数目与疾病严重程度呈负相关(McAndrewetal.,;Wirthetal.,)。在一个SMN2疾病修饰能力的极端例子中，缺乏纯合子SMN1的个体已被识别出，这些由于复制了5个SMN2而缺乏SMA症状(Prioretal.,)。进一步来说，包含了单核苷酸的SMN2的变异体提高了外显子7内含物的有效率，这些变异体能够在有轻微显性的SMA患者中被识别出，尽管只携带SMN2的两种副本(Prioretal.,;Vezainetal.,)。因此，SMA的结论是功能性SMN蛋白质缺乏---但不是功能性蛋白质的完全缺失---SMN2是最有效的遗传疾病的改性剂。

CellularbasisofmotorsystemdysfunctioninSMASMA所致运动系统功能紊乱的细胞学基础

从疾病的波及的范围来看，SMA典型的临床特征是运动功能障碍与运动神经元减少和骨骼肌萎缩联系在一起。SMA的各种动物模型的进展对于从细胞和分子基础角度定义疾病的是至关重要的(SchmidandDiDo-nato,;BurghesandBeattie,)。和在人类一样，动物模型中SMN的完全缺失是致命的，所有这些动物模型中只有单个SMN基因与SMN1等同，人类身体中至今还未发现SMN1和SMN2的双重缺失。相比之下，严重的SMA患者的SMN可以减少至除了神经系统以外大部分组织都可以容忍的程度中。(BurghesandBeattie,).。到目前为止，人类疾病的基因和表型特征最忠实地重现到了已被证明是用于阐明SMA病理机制的最有力的平台上----老鼠身上(BurghesandBeattie,;Sleighetal.,)。通过类似的设计，含有人类SMN2转基因并且祛除了单体老鼠SMN基因的并且显示低含量SMN的第一个SMA小鼠模型被设计出来(Hsieh-Lietal.,;Monanietal.,).。这些SMA老鼠一出生显性上是正常的，但是出生没多久就开始显示出严重的运动缺陷，肌无力和体重下降并且一周后就会死亡(Hsieh-Lietal.,;Monanietal.,)。添加了SMN：17cDNA转基因能够延长SMN：17的存活率，SMA老鼠能存活两周(Leetal.,)，由此产生了迄今为止研究最广泛的SMA模型之一。祛除了SMN但带有8个或者更多的SMN2副本的老鼠显性上是正常的，所以证实了SMN2对改善病情的作用,(Monanietal.,)。

细胞病理学的检测揭示出SMA老鼠脊髓上运动神经元的选择性缺失。(Hsieh-Lietal.,;Monanietal.,;Leetal.,;Mentisetal.,;Fig.1)。有趣的是，SMA运动神经元显示了纵轴上不同分段的缺陷(Mentisetal.,):比起影响下肢的肌肉的L5区域，那些处于腰椎L1水平轴向支配和近心端肌肉会更早被受到影响，后者的影响更深刻，此外，影响中轴肌的运动中柱上的运动神经元，较之于运动后柱上的神经元（影响下肢肌），受到的影响更大，这些都和在SMA患者身上发现的相似。(Mentisetal.,)。通过细微筛选方式实现了既存在人类疾病又存在老鼠模型中的一些运动神经元池（*外导神经元）提供了极其难得的机会来识别备选易损性或抗性因子，顺利的运用于ALS（脊髓侧索硬化性肌萎缩性症）。(Kaplanetal.,)。

除了脊髓运动神经的凋亡之外，SMA在病理学上具有另外的缺陷，出现在突轴处撞击到体细胞以及运动神经元的树突的中部，神经肌肉的连接处(NMJ)(图1)。NMJ（神经肌肉的连接处）缺陷包括突触前神经的增加，减少的囊量和破损的突触传导，以及有缺陷的突触后乙酰胆碱受体聚集和运动终板的开放(Kariyaetal.,;Murrayetal.,;Kongetal.,;Lingetal.,;Ruizetal.,;Leeetal.,)。此外，改变细胞内钙体内平衡和有缺陷集群-Cav2.2在体内和体外的SMA运动神经元末端均被发现(Jablonkaetal.,;Ruizetal.,)。这些NMJ的形态和功能异常都有联系。SMN有条件的修复或以一种依靠组织或时间的方式被消耗。这些研究表明，出生后SMN的增加仍然会在疾病出现后拯救患SMA小鼠(Leetal.,;Lutzetal.,)。重要的是，出生后一周贮存SMN是无效的，这表明SMN在老鼠一出生就应该被贮存(Leetal.,;Lutzetal.,)。同时也发现，早期产后SMN的损耗迅速引起了运动显性症状和死亡，而产后第二周后SMN的减少并没有导致一个明显的SMA小鼠显性症状(Leetal.,;Kariyaetal.,)。因此,在小鼠的胚胎和早期产后的发育，需要一个高水平的SMN才能产生一个成熟的运动系统。

除了SMN的短时间的症状，一些观察表明SMA是影响运动系统发展的疾病。虽然胚胎的具体情况和运动神经元表现正常(McGovernetal.,;Murrayetal.,)，几个突触异常出现在产后早期发育，增加了延迟发育，减少肌纤维的大小和肌肉去神经化，这些都是有据可查的，尤其赞成选择易受伤害的肌肉组织(Kariyaetal.,;Murrayetal.,;Kongetal.,;Lingetal.,).。

除了运动神经元和肌肉之间正确的连接，运动神经元和其他神经元的准确的电传导对于运动行为是必要的，神经元网异常很可能导致SMA。为了支持这一点，SMA运动神经元从本体感受感觉神经细胞和脊髓中枢神经元中接收更少的谷氨酸能突触输入(Lingetal.,;Mentisetal.,;Fig.1)。此外，和本体感受突触的严重功能失常相联系的感觉运动神经传递在SMA小鼠身上有所显现出来。(Mentisetal.,)。有趣的是,SMA的运动神经元增加固有的兴奋性并且改变了临界值(Mentisetal.,),可能反映了由SMN不足的运动前神经元导致的兴奋性的降低的性状稳定。总之，这些数据表明，和SMA病理相联系的严重的运动紊乱一部分原因是突触异常，由感觉运动系统中的SMN不足所诱发导致。观察发现感觉运动联系中的结构和功能改变在运动神经缺失之前，进一步支持了一个想法：这些早期的情况会导致运动神经紊乱和SMA中的死亡。这对于决定超兴奋性是否和SMA运动神经元相联系是很重要的。

总之，SMA正成为一种以运动系统多个组件的功能障碍为特征，而不是单独运动神经元。此外，神经系统之外组织的缺陷，如心脏、胰腺和肝脏,已经在严重的SMA小鼠身上有所记录(Bevanetal.,;Heieretal.,;Sha-babietal.,;Huaetal.,;Bower-manetal.,b)，虽然SMA人类病理的外周组织功能失常的作用还有待确定。但一些评论都有提到这些缺陷(HamiltonandGilling-water,;Shababietal.,)，因此将不会进一步讨论。

TemporalandspatialrequirementofSMNSMN的时间和空间要求

蛋白质的缺陷所造成的选择性运动系统病理结果就体内SMN的时间和空间要求提出了关键性问题。这些在SMA老鼠的动物模型身上也开始有所涉及。首先NMJ显示出成熟较晚的迹象，没能发展正确发展成为一个多孔的，玫瑰状的复杂结构以及成熟为特征的神经肌肉突触。(Kariyaetal.,;Kongetal.,)。第二,运动神经树突上的本体感受突触的数量的增加停止了。(Mentisetal.,)。最后,在生理学上肌球蛋白重链和乙酰胆碱受体的胚胎到成人形式的基因的转换，使SMA导致骨骼肌受损。(Avilaetal.,;Kongetal.,)。

SMA的运动系统病理是只存在运动神经元中细胞缺陷的结果中吗？建立SMN的空间要求是关键，不仅从副作用中区分基本细胞缺陷，而且也是为了治疗和识别细胞。早期工作表明SMN神经元能够充分拯救SMA老鼠的显性疾病,而SMN在肌肉中的恢复没有影响(Gavrilinaetal.,)。虽然内在肌肉缺陷后来被发现会导致肌肉营养不良(Martinezetal.,),这些发现表明SMA病理中神经元功能失常的关键作用。令人惊讶的是，运动神经元中SMN的选择性消耗导致了运动神经元的死亡，但只是轻微的显性SMA(Parketal.,)。

此外,运动神经元特有的SMN修复改善运动神经元消耗,但对于SMA老鼠的存活几乎没有作用(Gogliottietal.,;Martinezetal.,)。因为，虽然运动神经元死亡似乎是细胞自发的，SMN缺陷肯定会在其他地方诱发缺陷,这些地方会导致SMA动物模型的运动系统异常。最近的一项研究支持这个结论，这项研究使用SMA的果蝇模型,减少肌肉的生长和由SMN引起的缺陷运动，减少的肌肉生长和缺陷运动伴随有畸变运动神经元输出上升的NMJ神经传递。(Imlachetal.,).。很明显,在早期肌肉或运动神经元中SMN的贮存并没有改变这些显性症状，本体感受神经元中SMN的选择性表现和动力电传导的中间神经元足以矫正运动神经元和肌肉的缺乏(Imlachetal.,)，揭示了在此运动系统中这些非自主细胞异常状况。

迄今为止，本体感受神经元和脊髓中间神经元功能紊乱的证据在SMA老鼠模型上一直在积累(Lingetal.,;Mentisetal.,),但SMN的选择性修复的影响在运动神经功能的前运动神经元和疾病表现型还有待评估。总的来说，这些发现强调作为SMA病理的突出特征，运动系统的失常，其中神经元网的功能紊乱承担着重要角色。在未来，运动电传导的特定神经元的识别对于了解SMA动力系统功能紊乱的潜在机制和有效治疗的发展是关键的。运动电传导内SMN担任着重要的作用，分子途径和细胞活动都会被SMN缺陷所干扰。

MolecularmechanismsofSMA:dysregulationofRNAprocessingSMA的分子机制:RNA加工的失调

在SMA引发疾病基因产物的SMN被识别后，几个研究建立了SMN的基础生物学功能并且开始观察SMN缺陷如何引起运动神经元疾病。SMN保守的演化并且无处不在的表达蛋白质，细胞质和所有真核细胞的核心(LiuandDreyfuss,;BurghesandBeattie,)。一系列的生化研究反映出SMN和8个核心蛋白成分(Gemins2-8和分裂),构成一个大型的、多蛋白的复合物。(Fischeretal.,;Lietal.,)。SMN复合物最具特征的功能是聚集了主要的和微小的剪接体的小的核内核糖核蛋白(Fischeretal.,;Lietal.,)。特别是，SMN是必不可少的。(Meisteretal.,;Pellizzonietal.,;Fig.2A)这是在必要的核糖核蛋白拼接RNA的生物途径上重要的一步。

除了小核核糖和蛋白，SMN复合物也调节了处于U7snRNA上的Sm和类似于Sm蛋白质的不同核心。(Pillaietal.,;Tisdaleetal.,;Fig.2A)U7小核核糖核蛋白在特殊的组蛋白的加工中包含了最多种类的无内含子和多细胞动物中的非聚腺苷酸。SMN缺陷损害了U7生物起源，导致了SMA组蛋白加工的受损。因此包含内含子的mRNA后代和复制组蛋白依靠SMN运动，以便正确加工和表现。SMN在许多其他的细胞形式中包含编码和没编码的RNAs(Fallinietal.,;Lietal.,),有最突出的假定功能，和轴突输送以及发展神经元末端的mRNA有关。

尽管对于核糖核酸的SMN功能的了解不断加深，基因表达中的蛋白质缺陷导致了SMA中选择性的运动功能紊乱还不是很能让人理解。由于病理不限制于运动神经元，而且涉及到整个感觉运动系统的损害。SMA可能不是由单个基于SMN的核糖核酸途径的扰乱造成的，可能是整个动力电传导的多途径扰乱造成的。定义这条由SMN缺陷干扰的特定途径是了解分子机制的一项相当有挑战性的任务。

迄今为止,多条证据指向SMA中剪接体功能紊乱。小核核糖核蛋白的缺陷与疾病严重性相关并且导致了SMA老鼠模型的不稳定状态。(Gabanellaetal.,;Zhangetal.,)这些改变都是组织特定的并且不是一致的，比起大多数剪接体，带有基于U12拼接的轻微剪接体更加容易被影响。另外，SMA老鼠脊髓的神经元和非神经元细胞，SMN缺陷诱发了运动神经元上特定小核核糖核蛋白的减少。(Ruggiuetal.,;Fig.2B)这导致了正常运动神经元SMN2上外显子7包含物的减少，和自负反馈的激活，降低的小核核糖核蛋白进一步减少SMA中外显子7拼接(Jodelkaetal.,;Ruggiuetal.,)使得基于SMN的途径功能更加紊乱，并且有助于SMA运动神经元的选择性脆弱性。不同的改变---小核核糖核蛋白组织上的质量和数量可以对减少的小核核糖核蛋白如何影响运动系统提供解释。小核核糖核蛋白的修复与动物模型外显一致。(Winkleretal.,;Workmanetal.,).。

SMA研究中最大的挑战就是识别特定的基于SMN的核糖核酸加工过程，会导致神经元紊乱和该疾病。近来一个研究将Stasimon确定为果蝇运动神经元中对普通突触传导有用的基因，功能由于基因内缺陷而被干扰。(Lottietal.,)重要的是，Stasimon修复保护了SMA动物模型运动神经元病理学的一些部分。包括NMJ神经传递和肌肉大小的缺陷以及转基因运动轴索的过度生长(Lottietal.,)因此，这项研究包含了神经元回路干扰，这是SMA病理基因的重要因素，针对基于SMN核糖核酸拼接扰乱。另外的核糖核酸加工调节异常和其他一些SMN活动被现实有助于动物模型的SMA外显。总得来说，这些发现表明SMA病理可能由不同细胞种类中特定的功能缺陷导致，每一个都是由基因的改变引发的。这个情况在人类疾病史上不是前所未有的，因为它和其他的核糖核酸紊乱有概念和机制上的相似性，比如机强直性营养不良，神经病学综合征与神经拼接相联系。(DarnellandPos-ner,;Ruggiuetal.,).。

未来的研究旨在确定核糖核酸加工缺陷，这导致SMA病理学的进一步研究，这将有助于建立动力电路功能和疾病核糖核酸全面的分子的观点。每个个人贡献的受SMN的疾病影响RNA通路表型小鼠模型将需要在多管齐下的方法进行有选择地增强RNP发生，修复，休眠，或着减少RNP周转来弥补生物发展的不平衡引起的缺陷。

InsightsintoSMApathogenesisfromdiseasemodifiers从疾病修饰符见解SMA发病机理

基于SMN的核糖核酸途径的分子研究的补充，在SMA中识别特定的细胞活动是一个关键。化学和SMA外显基因表达有助于识别疾病中干扰的细胞。

一个显著的例子是SMA突触中被扰乱的肌动蛋白和细胞支架力学的显现。一个在人类患者身上的研究确定了将增强的纤维状肌动蛋白视为患者身上起保护作用的表达，该患者不含SMN1但是含有SMN2(Opreaetal.,)尽管更高含量在神经肌肉外显表达中被发现，由SMA有脊椎和无脊椎模型的SMN缺陷所引起。(Dimitriadietal.,;Haoleetal.,;Ackermannetal.,).在SMA老鼠中，人类丝束蛋白的超高含量提高了运动神经元的本体感受和乙酰胆碱的接受。(Ackermannetal.,)。

突触丝束蛋白的稳定性影响和较高含量的肌动蛋白前突触相联系，并且导致一部分NMJ神经传递的改善和肌肉纤维尺寸的变大，不过对运动功能和SMA老鼠的存活影响较小(Ackermannetal.,).与这些观察一致的是，另外一个研究结果揭示出SMN缺陷引起了RhoA的激活，即中等大小SMA老鼠模型肌动蛋白活性的调节器，(Bowermanetal.,)有趣的是，RhoA/ROCK药理学抑制途径能促进NMJ的开发和肌纤维的大小，但不会导致运动神经元的遗失，并且可以延长SMA老鼠的存活期(Bowermanetal.,;Bowermanetal.,a).总的来说这些发现暗示了SMA病理学中肌动蛋白突触活性的调节异常，尽管缺陷之下的基质很难捉摸。降低的运动神经元末端综合肌动蛋白由扰乱了的SMN导致，该SMN处于轴突信使核糖核酸上，该减少的综合体会影响到SMA中的肌动蛋白。(Ros-solletal.,)但是老鼠运动神经元上的基因缺失对神经肌肉系统没有外显影响。(Cheeveretal.,).。旨在探索SMN的生物学和SMA病理学特征的努力非常难能可贵地洞察到一种现象，SMN的RNA加工被扰乱并且运动系统中的功能缺陷是由SMN缺陷所诱发。同时也提到了补充SMN新颖的治疗方式

AdvancestowardSMAtherapySMA的治疗进展方向

基于我们对SMA病因学的了解，SMN修复是治疗疾病的最好方式。由于所有SMA患者带有至少一个SMN2的副本，治疗SMA最吸引人的方式就是使SMN2产出更多的SMN功能性蛋白质。这可以通过几种方式来实现，包括加强SMN2促进剂，提升SMN2的外显子7以及促进SMN信使核糖核酸和蛋白质的稳定性。另外基因疗法可以增强SMN表现。动物模型的基础调查和临床研究显示出这些方式的可靠性，导致了几个正在进行的临床试验(Fig.3)。简而言之，只有最先进的备选疗法在动物模型身上获得了成功，以下就讨论是将其用于临床开发。要获得更多临床试验的信息和更新，可以参见







































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