肌萎缩侧索硬化的分子遗传学和发病机制进展

孙梅影 丁卫江

(南昌大学第二附属医院，江西 南昌 330006)

肌萎缩侧索硬化(ALS)主要累及大脑皮质、脑干、脊髓前角等处的运动神经元，导致运动神经元细胞死亡。发病率约为2～3/10万，80%～90%的患者于病后3～5年死亡。其病因与发病机制尚不明确〔1〕。现将近年来ALS分子遗传学及发病机制研究的新进展综述如下。

1 遗传基因

1.1家族性ALS(FALS)的遗传基因 FALS目前主要有12个亚型：ALS1～ALS8、合并ALS的额颞叶痴呆综合征、X性连锁遗传的ALS、关岛型ALS-Parkinson-痴呆综合征、进行性下运动神经元疾病等。

按照遗传方式，FALS可分为常染色体显性(AD)遗传和常染色体隐性(AR)遗传,前者占绝大多数，后者罕见。按照起病年龄，可分为两种：成年型FALS和青少年型FALS，二者以25岁为界线。成年型FALS有很多种类：其中以ALS1最常见，呈AD遗传，其致病基因定位于21q22，与铜/锌超氧化物歧化酶1(Cu/Zn-SOD1)基因的突变有关。ALS6少见，以AD遗传为主，偶有AR遗传，与致病基因与FUS/TLS有关〔2〕。青少年型FALS主要有以下几种：(1)ALS2，呈AR遗传，其致病基因定位于2q33，与Alsin基因的突变有关。(2)ALS4，呈AD遗传，其致病基因定位于9q34，与Senataxin基因的突变有关。(3)ALS5，呈AR遗传，其致病基因定位于15ql5-q21，具体尚不清。

1.2散发性ALS(SALS)的遗传基因 近几年随着分子遗传学的研究进展，SALS的遗传基因逐渐被人们所接受。人们提出了很多假说：(1)某些蛋白质在神经元细胞内异常聚集，其在ALS发病机制中发挥非常重要的作用：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加工途径导致ALS的发生：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在神经元细胞中异常聚集，但在SOD1相关的FALS患者中没有出现〔3〕。因此，普遍认为TDP-43蛋白在神经元细胞内异常聚集与ALS的发生和发展息息相关，特别是SALS。TDP-43主要影响RNA和DNA的加工过程，从而导致ALS的发生。也有研究发现TDP-43沉着物主要在蛋白酶体中代谢和崩裂，最终导致神经元细胞死亡。在Chio等〔4〕的研究中发现有5%SALS患者TARDBP基因突变导致细胞中有TDP-43异常聚集，在欧洲人群中28.7%的ALS与TARDBP基因突变有关，在萨丁尼亚人群中40%的SALS与 TARDBP突变有关。另有Vance等〔5〕研究发现FUS沉着物发生与FUS基因突变有关。FUS基因突变普遍存在于青少年ALS患者中，并且合并有额颞叶痴呆〔6〕。

1.2.2Ataxin-2基因 已有最新研究报道，北美ALS患者Ataxin-2基因中的中等长度多聚谷氨酰胺(polyQ)扩增(27-33 Qs)为散发性ALS的遗传危险因素，Ataxin-2基因中的polyQ扩增提高了ALS的危险性〔7〕。Lee等〔8〕研究表明：Ataxin-2基因中等长度的polyQ蛋白重复扩增与欧洲队列研究中的ALS风险增加息息相关。不过，不同人群特异性polyQ蛋白长度似乎各有不同，较长的重复相关性明显。Ataxin-2编码的是一种RNA联合蛋白，主要通过作用于RNA加工途径导致ALS〔9〕。

2 发病机制

ALS的发病机制有很多假说〔10〕,主要包括Cu/Zn-SOD1基因突变、谷氨酸兴奋性毒性、自身免疫机制、氧化应激等。但以上发病机制均以运动神经元的损害为核心。最新研究表明，非运动神经元细胞特别是小胶质细胞、星形胶质细胞与运动神经元的相互作用在ALS发病中的作用越来越受关注〔11〕。

2.1Cu/Zn-SOD1基因突变 Cu/Zn-SOD1基因位于21q22，长11 kb，内含5个外显子，编码153个氨基酸，组成32 kD的Cu/Zn SOD蛋白。Cu/Zn SOD蛋白是一种同源二聚体，内含两个方向相反的亚基，每个亚基上结合一个Cu和一个Zn。正常时，Cu位于袋底，参与催化反应，Zn位于袋口，起到维持袋形和Cu的稳定性作用。现在至少有105种不同SOD1突变体在FALS患者SOD1基因中被发现，致病性的基因突变位点分布于整个SOD序列的153个氨基酸上，包含在该蛋白的每个结构功能域中。大多数为错义突变，引起表达蛋白中某个氨基酸被其他氨基酸替换，该类氨基酸部位至少有64个，如外显子1中密码子4位的丙氨酸(Ala)突变为缬氨酸(Va1)，即Ala～Val，为最常见的突变位点(占40%～50%)。错义性突变为现今的研究热点。少数为非错义突变，表现为氨基酸残基的移码、平截、缺失或插入突变。尚无资料显示病情严重程度、进展以及病程长短与不同突变类型之间有相关性。

SOD1是SOD家族中最重要的一种抗氧化酶，其基本功能是催化O2转化为H2O2，维持细胞内活性氧内稳态的平衡，以达到解毒的目的。SOD1发生突变，与锌的结合力下降，Cu/Zn SOD蛋白稳定性下降，引起线粒体空泡化和膨胀，导致对运动神经元的毒性作用。

最初认为SOD1突变体导致ALS的原因可能与酶失活有关，然而大量研究表明，SOD1突变体导致ALS的原因是突变产生的获得性毒性新功能，机制尚不清楚，可能有：(1)突变的SOD1异常氧化损伤机制：突变的SOD1导致编码的蛋白质活性结构发生变化，Cu暴露，作为氧化损伤反应的催化剂，激活NO合酶，过多的NO与超氧阴离子自由基自发反应，生成过氧亚硝基阴离子，当它进入活性部位后会发生酪氨酸硝基化反应。(2)SOD1聚集毒性机制：最近美国研究人员发现了ALS的病变组织中蓄积了大量错误折叠蛋白质聚集体。大量研究证实〔12〕，这种错误折叠蛋白质以NF2000为主，是反映神经元和突触功能状况的内在标志物。ALS患者的脑脊液中也出现大量的NF2000。SOD1聚集机制：SOD1的突变会导致正常SOD1蛋白(特别是未成熟SOD1)被召集并通过形成分子间的二硫键链接，导致SOD1蛋白错误折叠，使得不可溶性聚积物的形成。其聚集物的毒性机制有以下几种假设：(1)突变SOD1聚集抑制细胞器的特定功能，如线粒体的抗氧化功能；(2)SOD1突变会加速SOD1聚集或与其他细胞内组分形成共聚体或交联体，使多种细胞功能失常〔13〕；(3)SOD1突变体的聚集导致体内重要成分丢失；(4)突变SOD1聚集介导目前尚不知的化学反应；(5)突变SOD1聚集可能会降低蛋白酶体降解错误折叠的蛋白质和其他重要有害成分的功能〔14〕。因此，SOD1突变形成的寡聚体产生的毒性在ALS病程中发挥着重要作用。

2.2兴奋性毒性作用 L-谷氨酸是中枢神经系统中非常重要的兴奋性神经递质。突触间隙中的谷氨酸过多蓄积及谷氨酸能神经元过度激活均可通过激活谷氨酸受体，导致突触后神经元及其周围组织的损伤。谷氨酸增高的原因可能为：(1)谷氨酸转运体功能缺失；(2)谷氨酸受体亚基的基因缺陷导致谷氨酸受体功能异常；(3)谷氨酸转运蛋白异常导致谷氨酸摄取减少。对于各环节在发病机制中的具体作用仍存在争论。有研究者将含有较高水平谷氨酸的ALS患者的血清加入腹角运动神经元明显减少，这支持谷氨酸介导的兴奋性毒性作用ALS器官型脊髓培养模型中，培养4 w后,与正常对照组相比,发现脊髓在ALS发病中具有重要作用。根据ALS“谷氨酸的兴奋性毒性作用”学说，已有针对性的ALS治疗药物利鲁唑，它是一种谷氨酸的抑制剂，大规模临床试验表明虽然利鲁唑不能改善ALS病人的运动功能，但可延长病人的生存期〔15〕。

2.3自身免疫机制 ALS与体液免疫密切相关。如通过对一系列ALS病例的研究发现，ALS患者血清中存在大量异常的免疫球蛋白、免疫复合物，以及IgA、IgE升高。抗神经元抗体研究表明，ALS患者的血清和脑脊液中有抗神经元结构成分抗体，且脑脊液中抗神经元抗体高于血清。ALS不但与体液免疫有关，而且也与细胞免疫异常有关。随着研究不断深入，ALS与自身免疫的关系正逐步明显，但是目前临床上应用免疫抑制剂治疗ALS并未取得明显疗效。

2.4氧化应激 氧化应激是由于体内的自由基明显升高和(或)机体的抗氧化防御功能下降所致的一种病理状态。机体内的自由基通常包括活性氧类(ROS)、活性氮类(RNS)等。这些自由基氧化修饰糖、蛋白质、核酸和脂质，改变它们的结构和功能，导致核损伤、蛋白酶体抑制、线粒体损伤和内质网应激，影响细胞正常生理功能，最后导致细胞变性坏死。氧化应激损伤生物体的机制可能有以下几方面：(1)导致多糖分子聚合和降解;(2)使蛋白质发生肽键断裂、氨基酸残基转化、交联及电荷变化，引起蛋白质构象发生改变，从而使酶及其相应受体功能产生异常;(3)诱导RNA、DNA的交联和氧化，导致碱基突变、RNA和DNA断裂、染色体畸变等;(4) 也可作用于多价不饱和脂肪酸，引起生物膜的脂质过氧化反应，从破坏细胞膜的完整性、通透性和流动性，造成细胞内钙离子超载。

和其他器官相比，运动神经系统更易受到氧化性损伤，这是因为运动神经组织需要支持强壮骨骼肌，对能量需求很高，含有的大量神经丝蛋白极易受到氧化损伤，而且缺乏有效的抗氧化防御机制。当机体处于氧化应激和老化状态时，线粒体呼吸链生成的ROS会相应增加，此时线粒体不仅是ROS的产生器官，同时也是ROS毒性作用的靶器官。

氧化应激与其他的神经毒性因素相互作用，如SOD1基因突变、谷氨酸兴奋性毒性作用、NO、钙离子超载、能量障碍、年龄相关的线粒体损伤等。虽然这些通路中的任何一个发生紊乱都可以导致运动神经元损害，但哪个起主导作用以及各通路之间是怎样相互作用的，将成为人们关注的焦点。

2.5胶质细胞功能紊乱 研究发现运动神经元周围胶质细胞对运动神经元变性有很大的影响。中枢神经系统的周围胶质细胞有小胶质细胞、星形胶质细胞，在中枢受伤后迅速被激活，释放毒性和炎症介质，使神经元和胶质细胞损伤。小胶质细胞与神经元、星形胶质细胞形成网络链接，生理条件下网络之间的相互作用构成有机的生存环境。

小胶质细胞占胶质细胞总数的5%～20%左右，具有免疫活性和吞噬功能。参与对中枢系统微环境的监测和免疫应答。有研究发现在ALS患者中出现大量激活的小胶质细胞，利用电子发射计算机断层扫描(PET)显影，在ALS患者的运功皮质、额叶前部、丘脑和脑桥均观察到激活的小胶质细胞。随着研究进一步深入，ALS动物模型及ALS患者的病理变化均证实在ALS发病过程中存在小胶质细胞激活。近年来，越来越多的证据强有力地说明小胶质细胞参与了ALS病变过程中运动神经元丢失的触发和病情的进展恶化〔16〕。

小胶质细胞激活后的作用很复杂，最终结果可能依赖于氧化应激作用、细胞炎性因子及其与神经元的交互作用等。(1)氧化应激作用：小胶质细胞中烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)氧化酶激活产生ROS、NO后，使线粒体肿胀，导致神经元损伤。有研究者利用基因敲除NADPH氧化酶催化亚单位gp91phox，可观察到gp91phox基因敲除小鼠的病理变化和症状表现均明显改善〔17〕。(2)细胞炎性因子：激活的小胶质细胞释放大量如TNF-α、IL-6等炎症因子。(3)小胶质细胞与神经元间的交互作用：经过总结相关研究结果发现二者间可通过分泌的蛋白质、细胞因子、膜表面受体、嘌呤类物质等相互作用。

3 展 望

ALS是一种慢性进行性、致死性的运动神经系统变性疾病。随着分子遗传学的最新研究进展，ALS新基因的不断发现，为ALS分子发病机制提供了可靠的理论基础。ALS并不是单一因素作用的结果，而是由多种因素相互作用、相互影响，非运动神经元细胞特别是小胶质细胞、星形胶质细胞与运动神经元的相互作用在ALS发病中的作用倍受关注，为ALS有效治疗药物的开发和应用指明了方向。

4 参考文献

1Mitchell JD，Borasio GD.Amyotrophic lateral sclerosis〔J〕.Lancet，2007；369(9578)：2031-41.

2Yan J，Deng HX,Siddique N,etal.Frameshift and novel mutations in FUS in familial amyotrophic lateral sclerosis and ALS/dementia〔J〕.Neurology，2010；75(9)：807-14.

3Corrado L，Carlomagno Y，Falasco L,etal.A novel peripherin gene (PRPH) mutation identified in one sporadic amyotrophic lateral sclerosis patient〔J〕.Neurobiol Aging，2011；32(3):5521-6.

4Chio A，Borghero G，Pugliatti M,etal.Large proportion of amyotrophic lateral sclerosis cases in Sardinia due to a single founder mutation of the TARDP gene〔J〕.Archives of Neurology，2011；68(5):594-8.

5Vance C，Rogelj B，Hortobagyi T,etal.Mutations in FUS，and RNA processing protein,cause familial amyotrophic lateral sclerosis type 6〔J〕.Science，2009；323(5918)：1208-11.

6Baumer D，Hilton D，Paine SM,etal.Juvenile ALS with basophilic inclusions is a FUS proteinopathy with FUS mutations〔J〕.Neurology,2010；75(7):611-8.

7Elden AC，Kim HJ，Hart MP,etal.Ataxin-2 intermediate-length polyglutamine expansions are associated with increased risk for ALS〔J〕.Nature，2010；466(7310):1069-75.

8Lee T，Li YR，Lngre C,etal.Ataxin-2 intermediate-length polyglutamine expansions in European ALS patients〔J〕.Hum Mol Genet,2011；20(9)：1697-700.

9Baumer D，Ansorge O，Almeida M,etal.The role of RNA processing in the pathogenesis of motor neuron degeneration〔J〕.Expert Rev Mol Med，2010；12(7):e21.

10Boillee S，Yamanaka K，Lobsiger CS，etal.Onset and progression in inherited ALS determined by motor neurons and microglia〔J〕.Science，2006；312(5778)：1389-92.

11van Den Bosch L，Robberecht W.Crosstalk between astrocytes and motor neurons：what is the message 〔J〕? Exp Neurol，2008；211(1):1-6.

12Cai H，Lin X，Xie C,etal.Loss of ALS2 function is insufficient to trigger motor neuron degeneration in knock-out mice but predisposes neurons to oxidative stress 〔J〕.J Neurosci，2005；25(33):7567-74.

13Zhang F， Zhu H.Intracellular conformational alterations of mutant SODl and the implications for fALS-associated SOD1 mutant induced motor neuron cell death〔J〕.Biochim Biophys Acta，2006；1760(3)：404-14.

14Hart PJ.Pathogenic superoxide dismutase structure，folding，aggregation and turnover〔J〕.Curr Opin Chem Biol，2006；10(2)：131-8.

15Miller RG，Jackson CE，Kasarskis EJ,etal.Practice parameter update：the care of the patient with amyotrophic lateral sclerosis：drug，nutritional and respiratory therapies (an evidence-based review)：report of the quality standards subcommittee of the American Academy of Neurology〔J〕.Neurology，2009；73(15):1218-26.

16Dewil M，van Den Bosch L，Robberecht W.Microglia in amyotrophic lateral sclerosis〔J〕.Acta Neurol Belg，2007；107(3)：63-70.

17Wu DC，Re DB，Nagai M，etal.The inflammatory NADPH oxidase enzyme modulates motor neuron degeneration in amyotrophic lateral sclerosis mice〔J〕.Proc Nati Acal Sci USA，2006；103(32)：12132-7.