肌萎縮側索硬化的分子遺傳學和發病機制進展

孫梅影 丁衛江

(南昌大學第二附屬醫院，江西 南昌 330006)

肌萎縮側索硬化(ALS)主要累及大腦皮質、腦干、脊髓前角等處的運動神經元，導致運動神經元細胞死亡。發病率約為2～3/10萬，80%～90%的患者于病后3～5年死亡。其病因與發病機制尚不明確〔1〕?，F將近年來ALS分子遺傳學及發病機制研究的新進展綜述如下。

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、關島型ALS-Parkinson-癡呆綜合征、進行性下運動神經元疾病等。

按照遺傳方式，FALS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，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。ALS6少見，以AD遺傳為主，偶有AR遺傳，與致病基因與FUS/TLS有關〔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。(2)ALS4，呈AD遺傳，其致病基因定位于9q34，與Senataxin基因的突變有關。(3)ALS5，呈AR遺傳，其致病基因定位于15ql5-q21，具體尚不清。

1.2散發性ALS(SALS)的遺傳基因 近幾年隨著分子遺傳學的研究進展，SALS的遺傳基因逐漸被人們所接受。人們提出了很多假說：(1)某些蛋白質在神經元細胞內異常聚集，其在ALS發病機制中發揮非常重要的作用：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加工途徑導致ALS的發生：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在神經元細胞中異常聚集，但在SOD1相關的FALS患者中沒有出現〔3〕。因此，普遍認為TDP-43蛋白在神經元細胞內異常聚集與ALS的發生和發展息息相關，特別是SALS。TDP-43主要影響RNA和DNA的加工過程，從而導致ALS的發生。也有研究發現TDP-43沉著物主要在蛋白酶體中代謝和崩裂，最終導致神經元細胞死亡。在Chio等〔4〕的研究中發現有5%SALS患者TARDBP基因突變導致細胞中有TDP-43異常聚集，在歐洲人群中28.7%的ALS與TARDBP基因突變有關，在薩丁尼亞人群中40%的SALS與 TARDBP突變有關。另有Vance等〔5〕研究發現FUS沉著物發生與FUS基因突變有關。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)擴增(27-33 Qs)為散發性ALS的遺傳危險因素，Ataxin-2基因中的polyQ擴增提高了ALS的危險性〔7〕。Lee等〔8〕研究表明：Ataxin-2基因中等長度的polyQ蛋白重復擴增與歐洲隊列研究中的ALS風險增加息息相關。不過，不同人群特異性polyQ蛋白長度似乎各有不同，較長的重復相關性明顯。Ataxin-2編碼的是一種RNA聯合蛋白，主要通過作用于RNA加工途徑導致ALS〔9〕。

2 發病機制

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

2.1Cu/Zn-SOD1基因突變 Cu/Zn-SOD1基因位于21q22，長11 kb，內含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，內含兩個方向相反的亞基，每個亞基上結合一個Cu和一個Zn。正常時，Cu位于袋底，參與催化反應，Zn位于袋口，起到維持袋形和Cu的穩定性作用?，F在至少有105種不同SOD1突變體在FALS患者SOD1基因中被發現，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構功能域中。大多數為錯義突變，引起表達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)突變為纈氨酸(Va1)，即Ala～Val，為最常見的突變位點(占40%～50%)。錯義性突變為現今的研究熱點。少數為非錯義突變，表現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重程度、進展以及病程長短與不同突變類型之間有相關性。

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轉化為H2O2，維持細胞內活性氧內穩態的平衡，以達到解毒的目的。SOD1發生突變，與鋅的結合力下降，Cu/Zn SOD蛋白穩定性下降，引起線粒體空泡化和膨脹，導致對運動神經元的毒性作用。

最初認為SOD1突變體導致ALS的原因可能與酶失活有關，然而大量研究表明，SOD1突變體導致ALS的原因是突變產生的獲得性毒性新功能，機制尚不清楚，可能有：(1)突變的SOD1異常氧化損傷機制：突變的SOD1導致編碼的蛋白質活性結構發生變化，Cu暴露，作為氧化損傷反應的催化劑，激活NO合酶，過多的NO與超氧陰離子自由基自發反應，生成過氧亞硝基陰離子，當它進入活性部位后會發生酪氨酸硝基化反應。(2)SOD1聚集毒性機制：最近美國研究人員發現了ALS的病變組織中蓄積了大量錯誤折疊蛋白質聚集體。大量研究證實〔12〕，這種錯誤折疊蛋白質以NF2000為主，是反映神經元和突觸功能狀況的內在標志物。ALS患者的腦脊液中也出現大量的NF2000。SOD1聚集機制：SOD1的突變會導致正常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。其聚集物的毒性機制有以下幾種假設：(1)突變SOD1聚集抑制細胞器的特定功能，如線粒體的抗氧化功能；(2)SOD1突變會加速SOD1聚集或與其他細胞內組分形成共聚體或交聯體，使多種細胞功能失常〔13〕；(3)SOD1突變體的聚集導致體內重要成分丟失；(4)突變SOD1聚集介導目前尚不知的化學反應；(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生的毒性在ALS病程中發揮著重要作用。

2.2興奮性毒性作用 L-谷氨酸是中樞神經系統中非常重要的興奮性神經遞質。突觸間隙中的谷氨酸過多蓄積及谷氨酸能神經元過度激活均可通過激活谷氨酸受體，導致突觸后神經元及其周圍組織的損傷。谷氨酸增高的原因可能為：(1)谷氨酸轉運體功能缺失；(2)谷氨酸受體亞基的基因缺陷導致谷氨酸受體功能異常；(3)谷氨酸轉運蛋白異常導致谷氨酸攝取減少。對于各環節在發病機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元明顯減少，這支持谷氨酸介導的興奮性毒性作用ALS器官型脊髓培養模型中，培養4 w后,與正常對照組相比,發現脊髓在ALS發病中具有重要作用。根據ALS“谷氨酸的興奮性毒性作用”學說，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自身免疫機制 ALS與體液免疫密切相關。如通過對一系列ALS病例的研究發現，ALS患者血清中存在大量異常的免疫球蛋白、免疫復合物，以及IgA、IgE升高?？股窠浽贵w研究表明，ALS患者的血清和腦脊液中有抗神經元結構成分抗體，且腦脊液中抗神經元抗體高于血清。ALS不但與體液免疫有關，而且也與細胞免疫異常有關。隨著研究不斷深入，ALS與自身免疫的關系正逐步明顯，但是目前臨床上應用免疫抑制劑治療ALS并未取得明顯療效。

2.4氧化應激 氧化應激是由于體內的自由基明顯升高和(或)機體的抗氧化防御功能下降所致的一種病理狀態。機體內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、核酸和脂質，改變它們的結構和功能，導致核損傷、蛋白酶體抑制、線粒體損傷和內質網應激，影響細胞正常生理功能，最后導致細胞變性壞死。氧化應激損傷生物體的機制可能有以下幾方面：(1)導致多糖分子聚合和降解;(2)使蛋白質發生肽鍵斷裂、氨基酸殘基轉化、交聯及電荷變化，引起蛋白質構象發生改變，從而使酶及其相應受體功能產生異常;(3)誘導RNA、DNA的交聯和氧化，導致堿基突變、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，引起生物膜的脂質過氧化反應，從破壞細胞膜的完整性、通透性和流動性，造成細胞內鈣離子超載。

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

氧化應激與其他的神經毒性因素相互作用，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、年齡相關的線粒體損傷等。雖然這些通路中的任何一個發生紊亂都可以導致運動神經元損害，但哪個起主導作用以及各通路之間是怎樣相互作用的，將成為人們關注的焦點。

2.5膠質細胞功能紊亂 研究發現運動神經元周圍膠質細胞對運動神經元變性有很大的影響。中樞神經系統的周圍膠質細胞有小膠質細胞、星形膠質細胞，在中樞受傷后迅速被激活，釋放毒性和炎癥介質，使神經元和膠質細胞損傷。小膠質細胞與神經元、星形膠質細胞形成網絡鏈接，生理條件下網絡之間的相互作用構成有機的生存環境。

小膠質細胞占膠質細胞總數的5%～20%左右，具有免疫活性和吞噬功能。參與對中樞系統微環境的監測和免疫應答。有研究發現在ALS患者中出現大量激活的小膠質細胞，利用電子發射計算機斷層掃描(PET)顯影，在ALS患者的運功皮質、額葉前部、丘腦和腦橋均觀察到激活的小膠質細胞。隨著研究進一步深入，ALS動物模型及ALS患者的病理變化均證實在ALS發病過程中存在小膠質細胞激活。近年來，越來越多的證據強有力地說明小膠質細胞參與了ALS病變過程中運動神經元丟失的觸發和病情的進展惡化〔16〕。

小膠質細胞激活后的作用很復雜，最終結果可能依賴于氧化應激作用、細胞炎性因子及其與神經元的交互作用等。(1)氧化應激作用：小膠質細胞中煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)氧化酶激活產生ROS、NO后，使線粒體腫脹，導致神經元損傷。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均明顯改善〔17〕。(2)細胞炎性因子：激活的小膠質細胞釋放大量如TNF-α、IL-6等炎癥因子。(3)小膠質細胞與神經元間的交互作用：經過總結相關研究結果發現二者間可通過分泌的蛋白質、細胞因子、膜表面受體、嘌呤類物質等相互作用。

3 展 望

ALS是一種慢性進行性、致死性的運動神經系統變性疾病。隨著分子遺傳學的最新研究進展，ALS新基因的不斷發現，為ALS分子發病機制提供了可靠的理論基礎。ALS并不是單一因素作用的結果，而是由多種因素相互作用、相互影響，非運動神經元細胞特別是小膠質細胞、星形膠質細胞與運動神經元的相互作用在ALS發病中的作用倍受關注，為ALS有效治療藥物的開發和應用指明了方向。

4 參考文獻

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