脊髓性肌萎缩症表型修饰基因的研究进展

Abstract

Spinal muscular atrophy (SMA) is a common fatal autosomal recessive genetic disorder in childhood, primarily caused by homozygous deletion of the SMN1 gene. Its main characteristics include the degenerative changes in the anterior horn motor neurons of the spinal cord, leading to symmetrical progressive muscle weakness and atrophy of the proximal limbs. However, SMA patients with the same genetic background often exhibit different degrees of disease severity. In addition to the well-established modifier gene SMN2, the effect of other modifier genes on clinical phenotypes should not be overlooked. This paper reviews the latest advancements in the pathogenic and modifier genes of SMA, aiming to provide a deeper understanding of the pathogenic mechanisms and phenotypic differences in SMA, as well as to offer new strategies and targets for treating this condition.

脊髓性肌萎缩症（spinal muscular atrophy, SMA）是较为常见的儿童时期致死性常染色体隐性遗传病，人群携带率约为1/50^［1］。SMA主要临床特征为近端骨骼肌对称性进行性肌无力和肌萎缩，继而可引起呼吸、心血管、消化等多系统功能异常。根据患者发病年龄和获得的最大运动功能，SMA从重至轻分为5型^［2-3］。0型，一般在宫内发病，于生后几周内死亡。Ⅰ型，约占全部SMA病例的50%，一般于6个月内起病，患者无法独坐，多于2岁内因呼吸衰竭或其他严重并发症死亡。Ⅱ型，约占30%，一般于生后6~18个月起病，患者可独坐，无法独站或者独走。Ⅲ型，约占10%，常于18个月后发病，患者早期运动无异常，可独走，随着年龄增加，后期逐渐出现以近端为主的肌无力，最终丧失行走能力，但不影响预期寿命。Ⅳ型于成人期起病，临床表现较其他类型轻，患者行走功能不受影响，疾病进展隐匿，通常不影响寿命。

运动神经元存活（survival motor neuron, SMN）1基因是SMA的致病基因。然而，相同基因型患者的临床表型不同，提示SMA存在表型修饰基因，本文将从SMA的致病基因及修饰基因作一综述，以期深入理解SMA表型差异，为新的治疗靶点提供参考依据。

1. 致病基因

SMN1基因定位于染色体5q13.2^［2］，由9个外显子组成。约95%患者为SMN1基因第7外显子纯合缺失，5%为SMN1基因复合杂合变异，即一条染色体上的SMN1基因缺失，另一条染色体上的SMN1基因存在微小变异^［4］。截至2024年3月，人类基因突变数据库（https://www.hgmd.cf.ac.uk/ac/index.php）中收录的SMN1基因微小变异近110种。

SMN1基因编码全长有功能的SMN蛋白，广泛存在于各种组织细胞的胞核和胞质中，参与剪接、转录、RNA稳态、凋亡、应激反应、RNA轴突运输以及核小核糖核蛋白（small nuclear ribonucleoprotein, snRNP）形成等多种生物过程^［2］。其中，最重要的是SMN蛋白与Gemin、unrip蛋白以复合体形式参与剪接体snRNP的生物合成，间接参与前体信使RNA剪接：SMN蛋白首先自我寡聚化，再与Gemin蛋白形成重要的SMN/Gemin复合物，继而介导形成snRNP的Sm核心结构域。Sm核心装配完成并与核小RNA（small nuclear RNA, snRNA）结合后，snRNA的5'端帽子发生高甲基化，在核输入蛋白和snurportin-1蛋白作用下，组装完毕的snRNP由胞质进入胞核，参与前体信使RNA剪接^［5-7］。此外，虽然SMN蛋白是一种重要的管家蛋白，但其在小鼠中枢神经系统中的表达显著高于其他组织，提示神经系统组织对SMN蛋白需求更高，且对SMN蛋白缺失或功能异常更敏感。高水平SMN蛋白可以促进神经肌肉接头（neuromuscular junction, NMJ）发育和神经递质释放，以维持骨骼肌正常功能^［8］。

2. 修饰基因

SMA的修饰基因以SMN蛋白依赖或非SMN蛋白依赖的方式发挥调节作用：SMN蛋白依赖基因主要是通过促进全长SMN蛋白表达修饰表型；非SMN蛋白依赖基因则通过影响SMN蛋白下游的细胞骨架动力学、突触囊泡运输和神经传递、轴突运输和局部翻译以及基因表达调控等途径调控疾病进程。

2.1. SMN蛋白依赖基因

2.1.1. SMN2基因

SMN2基因是目前公认的SMA表型修饰基因，与SMN1基因高度同源，二者之间仅有5个碱基差异（图1），其中位于第7号外显子上c.840位的差异碱基导致SMN2基因外显子7发生跳跃，使得SMN2基因仅能编码约10%全长有功能的SMN蛋白，约90%为易降解的截短蛋白，无法正常发挥功能^［9-10］。

图1. SMN1基因和SMN2基因的差异位点 SMN1基因与SMN2基因存在5个差异碱基，分别位于基因组的g.31957、g.32006、g.32154、g.32269和g.70248501位置。a、g在内含子区域中，C、T、G、A在外显子区域中。.

SMN2基因与SMN1基因均位于染色体5q13.2，且呈镜像排列，所在区域内还存在多个同源基因（图2），使得该区域容易发生基因重复、缺失以及同源基因之间的转换。Ⅰ型和Ⅱ型SMA患者的SMN2基因多为1~3个拷贝，Ⅲ型和Ⅳ型患者多有3个以上拷贝^［11-13］，即SMN2基因拷贝数越多，全长SMN蛋白表达量越高，临床表型相对越轻，表明SMN2基因拷贝数与疾病严重程度呈负相关。然而，SMN2基因拷贝数与SMA的临床表型关系并非严格对应，在相同遗传背景的同胞中仍存在不一致表型^［14］，提示SMA表型还受SMN2基因拷贝数以外的其他因素影响。

图2. 染色体5q13上SMA相关同源基因 5q13区域存在4个蛋白编码基因：SMN1、SERF1A、NAIP和GTF2H2。其同源基因/假基因分别为SMN2、SERF1B、ΨNAIP△5和ΨGTF2H2B ^［10］。T为端粒末端；C为中心粒末端。.

SMN2基因的修饰作用还体现在基因序列变异上。SMN2基因外显子7的保留或跳跃受附近剪接因子的调控。Wu等^［15］研究发现在相同SMN2基因拷贝数的患者中，存在A-44G变异的患者表型更温和，体外功能研究显示该变异可显著降低剪接抑制因子HuR的结合力，使得SMN2基因产生更多全长转录本。Prior等^［16］报道1例存在SMN2基因c.859G>C变异的Ⅲb型患者，早期运动里程碑正常，于20岁确诊SMA，体外功能研究显示该变异可通过新生一个剪接增强子元件促进外显子7的保留，增加全长SMN蛋白表达。以上两种变异都是通过增加SMN蛋白表达进而修饰SMA临床表型。此外，存在SMN2基因A-549G和C-1897T^［17］变异的患者也可伴有较轻SMA表型，但具体机制尚未明确。

SMN2基因表观遗传也可能会修饰SMA表型。SMN2基因启动子区存在4个高度保守的甲基化岛。研究发现Ⅲ型患者甲基化岛2上的nt-296/290甲基化程度显著低于Ⅰ型患者，提示SMN2基因甲基化水平可能与疾病严重程度呈负相关，并且nt-290/-288/-285位点的甲基化水平与SMN2基因转录水平呈负相关，表明SMN2基因低甲基化的患者可能具有相对较好的预后^［18］。

2.1.2. 锌指蛋白1基因

锌指蛋白1（zinc finger protein 1, ZPR1）基因定位于染色体11q23.2，与SMN蛋白相互作用后增强前体信使RNA剪接，诱导神经元分化和刺激神经轴突生长^［19］。SMA患者中，由于SMN蛋白水平降低或功能障碍导致snRNP生成减少，从而影响前体信使RNA剪接过程。ZPR1蛋白与SMN蛋白结合并增加其稳定性，从而提高snRNP的组装效率，最终增强前体信使RNA剪接功能^［20］。

Cuartas等^［21］发现ZPR1基因可正向调节SMN2基因，促进全长SMN蛋白表达：SMA小鼠模型中，当ZPR1基因表达下降时，SMN蛋白水平下调和运动神经元破坏增加，提示ZPR1基因表达和活性可能会影响疾病的严重程度和进展。SMA患者多死于呼吸衰竭，但导致呼吸衰竭的具体机制尚不十分清楚。SMA小鼠模型表明，同源异型盒A5（homeobox A5, HoxA5）（Hox基因亚型）可调节和维持膈神经稳定，而膈神经可调节哺乳动物的呼吸运动，当ZPR1基因表达减少时，包括HoxA5基因在内的与发育相关的Hox基因也会下调，提示ZPR1基因表达可能与呼吸衰竭有关。另一方面，ZPR1基因过表达可防止SMA中RNA-DNA杂合三链体结构的积累，因其积累会引起DNA损伤，是导致包括神经退行性疾病在内的疾病的主要原因，因此ZPR1基因过表达极大程度地避免了基因组不稳定和神经退行性变，可能对患者的长期预后有改善作用^［22］。

2.1.3. 信号转导与转录激活子5基因

信号转导与转录激活子5（signal transducer and activator of transcription 5, STAT5）基因位于染色体17q21.2，编码蛋白在生长因子的刺激下介导信号转导及转录途径。磷酸化的STAT5蛋白与SMN2基因启动子结合后促进SMN2基因转录，增加胞核中SMN蛋白表达及延长神经元轴突，研究发现在细胞水平激活STAT5基因可上调SMN2基因表达，提示两者可能存在正相关^［23］。Farooq等^［24］在SMA和野生型小鼠模型中发现催乳素可通过调节STAT5通路，增加中枢神经系统中SMN蛋白的表达，进一步改善小鼠的运动功能。

2.1.4. 小富EDRK因子1A基因

小富EDRK因子1A（small EDRK-rich factor 1A, SERF1A）基因位于染色体5q13.2，其编码蛋白与细胞内应激反应及蛋白折叠过程密切相关。Medrano等^［25］发现35%的Ⅰ型患者SERF1A基因纯合缺失，Ⅱ型患者中仅有1例SERF1A基因纯合缺失，而在Ⅲ型患者中未观察到该基因缺失，表明SERF1A基因拷贝数可能是影响SMA表型的一个因素。虽然目前尚不清楚其对SMA表型的修饰机制，但可能涉及以下几个方面：（1）SERF1A基因可能通过调节内源性细胞的应激反应，促进神经元对细胞内环境压力的抵抗，从而延缓神经元凋亡过程^［26］；（2）SERF1A蛋白还可能通过与分子伴侣相互作用，促进错误折叠蛋白质的识别和清除，减轻细胞内毒性，提高运动神经元的功能和耐受性^［27］。

2.1.5. T细胞限制性细胞内抗原-1基因和T细胞凋亡抑制相关蛋白基因

T细胞限制性细胞内抗原-1（T-cell intracellular antigen-1, TIA-1）基因和T细胞凋亡抑制相关蛋白（T-cell inhibitor of apoptosis-related protein, TIAR）基因分别位于染色体2p13.3和10q26.11，在中枢神经系统中高表达。它们编码的RNA结合蛋白在细胞核内调控基因转录和前体信使RNA剪接，体外研究显示提高TIA1、TIAR蛋白表达可抵消多聚嘧啶结构域结合蛋白的抑制作用，促进SMN2基因的全长转录本表达，进而减轻患者病情并改善预后。但其对SMA表型修饰功能需在体内模型中进一步探究，以验证它们在SMA治疗中的潜在应用^［28］。

2.2. 非SMN蛋白依赖基因

2.2.1. 网质3基因与冠状蛋白1C基因

网质3（plastin 3, PLS3）基因定位于染色体Xq23。研究报道在SMN1基因纯合缺失的SMA家系中，男性患者PLS3蛋白表达显著低于无症状的同胞姐妹^［29］。随后，我国学者发现，PLS3基因对年龄大于3岁的女性SMA患者具有表型修饰作用，提示其修饰作用可能与性别和年龄相关^［30］。SMN蛋白表达下降导致肌细胞局部粘连、细胞骨架改变和肌肉损伤，并降低F-肌动蛋白水平，而F-肌动蛋白对肌肉收缩、维持NMJ正常结构和功能至关重要^［31］。当PLS3基因高表达时，运动神经元中F-肌动蛋白水平增加，实验也观察到SMA斑马鱼模型受损的轴突生长得到改善，这表明PLS3基因过表达可以抵消因SMN蛋白减少而对机体造成的损害^［32］，因为PLS3基因高表达可促进神经元之间的连接和减慢轴突修剪，有助于NMJ发育和成熟。Oprea等^［33］发现SMA斑马鱼模型的SMN蛋白水平降低会引起内吞作用受损和钙调节紊乱，内吞作用是SMA的主要细胞机制。

冠状蛋白1C基因定位于染色体12q24.11，编码蛋白通过钙离子与PLS3蛋白直接结合成复合体发挥修复功能^［34］。作用机制与PLS3基因相似，均通过影响F-肌动蛋白和内吞作用参与SMA的病理过程。

2.2.2. 神经钙蛋白δ基因

神经钙蛋白δ（neurocalcin delta, NCALD）基因位于染色体8q22.3，是依赖Ca²⁺的负调节因子，编码蛋白可与网格蛋白、肌动蛋白相互作用，共同参与内吞作用及突触囊泡循环过程。研究显示降低NCALD基因表达可以缓解SMA斑马鱼模型的内吞缺陷，也可恢复SMA小鼠模型中NMJ功能，表明NCALD基因低表达可能对SMA表型具有保护作用^［35］。Upadhyay等^［36］发现NCALD蛋白与丝裂原活化蛋白激酶激酶10（mitogen-activated protein kinase kinase kinase 10, MAP3K10）相互作用，MAP3K10是c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）的上游激活激酶，而JNK蛋白对神经发育生长具有正向调控作用。在NCALD基因纯合缺失的SMA小鼠模型中，JNK蛋白活性显著增加，提示NCALD基因表达下调可能通过激活MAP3K10-JNK信号通路对神经功能产生积极影响，从而减轻SMA临床表型。

2.2.3. 神经细胞凋亡抑制蛋白基因和基本转录因子ⅡH亚单位2多肽

神经细胞凋亡抑制蛋白（neuronal apoptosis inhibitory protein, NAIP）基因与SMN1基因相邻，编码蛋白具有抑制神经元凋亡的作用。在SMA患者中，NAIP基因缺失可能导致神经元不可逆凋亡，从而引起致死性肌肉萎缩。研究显示，若SMA患者同时缺失SMN1基因和NAIP基因，多表现为严重的Ⅰ型；仅缺失SMN1基因而不涉及NAIP基因的患者，多表现为Ⅱ型或Ⅲ型。提示NAIP基因可能是SMA的修饰基因，且与疾病严重程度呈负相关^［37］。NAIP基因还可能通过调控神经细胞内氧化应激、炎性反应以及增强SMN蛋白功能和稳定性等方面影响SMA病程^［38］。

基本转录因子ⅡH亚单位2多肽（general transcription factor ⅡH, polypeptide 2, GTF2H2）基因位于NAIP基因上游。Noguchi等^［39］研究发现GTF2H2基因拷贝数与SMA临床表型呈负相关。可能通过以下机制影响SMA：（1）GTF2H2基因可能参与基因转录和核苷酸切除修复过程，有助于维持基因组的完整性，以及提高细胞对外界压力的适应能力；（2）可能通过影响神经元的发育和分化，改善或延缓SMA临床症状。

3. 治疗

自1995年SMN1基因被确定为SMA的致病基因^［40］，经过21年的研究与发展，SMA已成为可治疗的遗传病，当前可从SMN蛋白依赖和非SMN蛋白依赖两个途径对SMA展开精准治疗。SMN蛋白依赖治疗包括SMN1基因替代治疗、基于SMN2基因的修正治疗和激活SMN2基因启动子治疗等^［41］，例如诺西那生钠、利司普兰均是通过作用于SMN2基因外显子7附近的剪接识别位点而提升全长SMN蛋白表达，进而改善临床症状。我国分别于2021年和2023年成功将这两种药物纳入医保，显著减轻了患者家庭的经济负担。非SMN蛋白依赖治疗包括神经营养和保护剂、细胞骨架和NMJ治疗、肌肉靶向治疗等，例如，Olesoxime作为一种低分子药物具有神经保护及促进神经轴突生长的作用^［11］。

4. 总结与展望

SMN1基因和SMN2基因在SMA发病和表型修饰中的核心作用无可争议。SMN1基因缺失或微小变异导致功能性SMN蛋白水平下降，是SMA的病因。SMN2基因作为主要修饰基因，其拷贝数、序列变异和甲基化状态均可影响SMA疾病严重程度和进展。因此，目前治疗方案以SMN2基因修正治疗为主，且越早开始治疗效果越好。此外，改善SMN蛋白功能或许也是一种潜在的治疗策略^［42］。例如，ZPR1基因和NAIP基因可能通过与SMN蛋白相互作用增强其稳定性，从而改善病情。尽管已有诺西那生钠和利司普兰等药物获批用于临床治疗，但对于已经出现症状的患者，单一用药难以痊愈，且患者对药物反应存在个体差异。因此，不同作用机制的靶向药物联合治疗成为研究热点，这种治疗策略不但针对SMA的多条病理途径，还能减少单一药物的剂量依赖性，降低潜在不良反应风险。尤其是对于仅有2个SMN2拷贝数的Ⅰ型患者，联合治疗有望成为长期且有效的治疗策略。

综上所述，探索SMA表型修饰因子，不但有助于深入理解SMA致病机制，同时也为疾病治疗提供新策略和靶点。

基金资助

河北省自然科学基金（H2022316005）。

利益冲突声明

所有作者均声明无利益冲突。

作者贡献

潘薇负责论文撰写与修改；曹延延负责文章的审核与修改。