脊髓性肌萎缩症表型及相关基因的研究进展

吴 霞(综述)， 李 梅(审校)

脊髓性肌萎缩症(spinal muscular atrophy,SMA)是一种神经肌肉受累的常染色体隐性遗传病，其特征是下运动神经元变性，主要症状为进行性对称性肌无力、肌肉萎缩、肌张力降低。病情轻者仅表现为轻度肌无力，预期寿命不受影响，严重者可并发危及生命的呼吸衰竭。发病年龄范围跨度大，从出生至成人阶段均可出现。该病在欧美活婴中发病率为1/10 000，携带率为1/40～1/50，中国暂缺人群发病率相关报道，人群携带率约为1/42[1],是婴儿死亡的主要遗传原因。本文对该病主要系统受累情况及基因相关研究这两方面进行综述。

1 表型分型与主要系统受累情况

1.1表型分型 该病是由运动神经元存活基因1(survival motor neuron 1,SMN1)突变所导致的常染色体隐性疾病。最初根据发病年龄及能达成的最大运动里程碑主要分为四种类型(1～4型)：1型，生后6个月内发病，所获得最大运动能力不能独坐，存活年龄一般不超过2岁；2型，生后6～18个月发病，最大运动能力能独坐，多数可活到成年期；3型，生后18个月～21岁发病，可独坐，部分早期运动发育正常，后逐渐丧失独走能力，预期寿命轻度缩短或正常；4型，21岁后发病，即成人型，早期运动发育正常，病情进展缓慢，预期寿命不受影响[1]。有研究[2]将产前发病，病情最严重的这一类患者归为0型。部分患儿在产前可表现为孕晚期胎动减少或者消失，胎儿颈后透明带厚度增加，羊水异常，生后不久即需要机械通气支持。

1.2主要系统受累情况 传统观念认为该病仅累及下运动神经元。近年来，越来越多研究表明SMA是一种多系统受累疾病，主要包括心血管、消化、代谢、内分泌等系统[3]。

1.2.1 心血管系统 这是SMA除神经肌肉系统外最常累及的系统。心脏受累主要表现在结构异常、心律失常。心脏结构异常以房间隔缺损、室间隔缺损多见，此外还有主动脉缩窄、动脉导管未闭等。在0型和1型SMA患者中多种心脏结构异常可同时存在[2，4]。SMA患者最常见缓慢性心律失常，其中1型患儿可能出现严重症状性心动过缓，有的甚至发展为心脏停跳[2，4-5]。另外，2型、3型SMA患者可能出现PR间期和QRS波时限延长，且P波、QRS波振幅降低[5]；SMA 3型患者出现右束支传导阻滞、房室传导阻滞等情况[4]。有报道[6]发现了部分SMA 0型患者有肢端坏死，这可能与血管功能障碍有关。有研究[7]报道，SMA 1型、2型患者和严重型SMA小鼠出生时与正常对照没有明显差别，但随着时间延长均出现骨骼肌毛细血管与脊髓毛细血管明显减少。血管分布数量减少可能导致肌肉纤维、运动神经末梢和脊髓缺血缺氧性损伤。这些均提示该病存在血管功能及分布数量改变。

1.2.2 消化系统 有研究关于SMA的多学科管理中均强调了需对SMA患者胃肠道症状进行记录，包括胃排空延迟、胃食管反流、便秘等情况[1，8]。其中，便秘与SMA患者运动减少(如长时间坐轮椅、卧床)有一定关系。而SMA动物研究[9]显示在控制运动量、摄入食物和水这些可能影响胃肠道功能的变量下，SMA仍有胃肠道受累。SMA小鼠胃肠道长度与正常无明显差异，主要不同在于肠神经系统缺陷、消化道cajal间质细胞减少。在严重型SMA小鼠中，还存在小肠绒毛数量减少情况[10]。有研究[11]报道，严重型SMA小鼠存在肝发育不全，通过基因治疗恢复SMN蛋白水平后可获得恢复。SMA患者尸检报告和小鼠组织学研究[12]均显示了肝脂肪变性。另外，主要由肝脏合成的血浆蛋白，包括血清蛋白、胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1,IFG-1)，在SMA患者或小鼠中亦有减少[12]。

1.2.3 代谢系统 有研究[12]报道，SMA小鼠存在脂肪酸代谢异常，SMA患者及动物存在血脂异常和肝脂肪变性，血糖和糖化血红蛋白水平降低。另一项研究[13]报道，严重型SMA小鼠胰腺缺陷和葡萄糖耐受不良，即胰腺α细胞增多，β细胞减少，临床表现为空腹高血糖、高胰高血糖素血症、胰岛素敏感。这两项研究关于血糖部分存在差异，可能因为SMA患者体重过低、肌肉含量减少、分解代谢不足而出现低血糖。另外，部分SMA患者家庭发现“氨基酸饮食”(即减少脂肪摄入、使用氨基酸和其他成分)对患者有一定益处。最近,SMA小鼠代谢研究[14]报道了低脂饮食能延长SMA小鼠的生存时间。作者推测可能与高碳水化合物、低脂饮食可控制游离脂肪酸水平,减少二羧酸循环因子产生(这对SMA患者有潜在毒性作用)有关。结果提示了饮食结构也可能影响该病预后，但目前尚缺乏调整SMA患者饮食结构的相关研究。

1.2.4 泌尿生殖系统 SMA 1型患者尸检报告发现肾管状结构异常，包括刷状缘消失、上皮细胞扁平及脱落等。另外，研究发现患者死亡前，出现血清肌酐、半胱氨酸蛋白酶抑制物C、钠和钙离子浓度等异常，以及颗粒管型尿[15]。但肾脏改变是继发于肌肉萎缩、骨代谢异常还是由运动神经无存活(survival motor neuron protein,SMN)蛋白缺乏直接所致目前尚无定论。除肾脏外，SMA 1型和2型患者尿失禁发生率较高，通常被认为是骨盆底肌肉和尿道外括约肌无力引起。但也有研究[15]报道SMA小鼠存在膀胱平滑肌纤维减少，继而出现“溢出性尿失禁”。神经肌肉电刺激可有效改善盆底肌无力情况[16]。这提示我们可使用这技术治疗SMA患者尿失禁，结合上述提及存在膀胱肌纤维减少情况，神经肌肉电刺激效果可能不佳。有研究[17]报道SMN蛋白对维持精原细胞存活有重要作用，SMA小鼠出现了性腺质量下降，伴精原细胞特异性标记丢失情况。但SMA患者是否存在性腺功能异常尚缺乏相关报道。

1.3辅助检查所见

1.3.1 神经电生理 由于SMA主要累及脊髓下运动神经元，故肌电图表现为神经源性损害(自发放电增多、去神经支配)，典型者可有下肢重于上肢，近端重于远端特征。其中，纤颤电位和正相尖波多见于SMA 1型，束颤电位多见于SMA 3型。严重型SMA患者在症状前的复合肌肉动作电位(compound muscle action potential,CMAP)和健康儿相似，出现运动功能丧失后可表现为CMAP波幅下降[18]。恢复SMN后，CMAP也逐渐纠正[18]。这些提示CMAP波幅可作为评估病情、进展及疗效的生物标志物。

1.3.2 影像学 有研究[19]报道SMA 0型患者头颅磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)变化情况，随着病情进展，患者幕上脑萎缩(皮质下脑萎缩，胼胝体变细，脑沟、脑室增宽)进行性加重，主要是白质减少，海马严重萎缩。另外，在T2加权图像上显示了丘脑和基底节高信号。这种改变主要发生在严重缺血缺氧性脑病中。虽然SMA患者的脑组织病理报告了丘脑受累情况，但目前尚无更多证据证明患者早期无缺血缺氧事件参与。最近有研究[20]报道SMA 2型和3型患者肌肉MRI脂肪浸润分数、肌肉萎缩分数与运动功能评分呈负相关。但目前尚缺乏正常人年龄相关肌肉MRI变化数据作为对照，评估肌肉MRI成为该病敏感性检查手段。

2 相关基因

2.1SMN1基因 SMA是单基因遗传病，SMN1基因为致病基因，与其高度同源的运动神经元存活基因2(survival motor neuron 2,SMN2)基因为疾病修饰基因。所有SMA患者均存在SMN1双等位基因突变，突变形式主要为第7或第7、8外显子纯合缺失突变，约占96%。在SMA 1型患者中多为真正的SMN1基因纯合缺失，SMA 2型或3型中可出现SMN1基因转化为SMN2基因，使SMN2基因拷贝数增多。另外，若发生不完全转换，会出现SMN1/SMN2融合基因。另一种突变为复合杂合突变，约占4%，即1个SMN1基因缺失伴随另1个SMN1基因内的微小突变。微小突变包括错义突变、无义突变、移码突变和剪接位点突变。国内学者通过改良反转录-聚合酶链式反应(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)技术识别SMN1微小突变，中国人群最常见的SMN1基因微小突变形式为发生在1号外显子c.22dupA(p.Ser8Lysfs*23)[21]。另外，SMN1基因常见突变位点具有种族差异[22-23]，在波兰最常见为p.Thr274Ile1，德国是p.Tyr272Cys，在高加索人还包括发生于6号外显子c.770_780dup11(p.Gly261Leufs*8)、c.815A>G(p.Try272Cys)和c.821C>T(p.Thr274Ile)。还有一种突变方式较为罕见，即2个SMN1基因均发生微小突变。此种突变目前仅在近亲婚配家庭中发现过，国内尚无报道。除此之外，SMN1基因c.885+83T>G和c.885+667delAT这两种突变与SMN1基因“2+0”型(一条5号染色体SMN1基因拷贝数为2，另一条缺少SMN1基因)有关，这有助于更好地筛出“2+0”型携带者[24]。另外，SMN1基因、SMN2基因拷贝数在不同种族人群中也有明显差异[25]。相比其他种族人群，非裔SMN1基因拷贝数更多，SMN2拷贝数更少，且缺失7号和8号外显子SMN1或SMN2基因这一变异体的拷贝数与SMN2拷贝数呈负相关。亚裔SMN基因拷贝数情况与其他种族相似。

2.2表型修饰基因 随着近些年对其表型修饰基因的不断研究，发现可能的表型修饰基因主要有以下几类。

2.2.1 SMN2基因 SMN2基因拷贝数与SMA病情严重程度呈负相关。SMA 0型中SMN2拷贝数多为1[2]，1型拷贝数多为2，2型拷贝数多为3，3型多为3～4，4型多为4[26]。最近国内关于SMA患儿家庭SMN1和SMN2拷贝数的家系研究发现，父母双方SMN2基因平均拷贝数可在一定程度上预测其子代病情严重程度，若亲代SMN2平均拷贝数为3，则其患病子代均为SMA 2型或3型[27]。值得一提的是，SMN2拷贝数与临床分型并非完全对应。一些研究对SMN2基因进行测序分析发现，SMN2内c.859G>C突变与较轻病情相关。可能由于该变异体增加了SMN2外显子7被包含的可能性，使其能产生更多的全长SMN蛋白，出现SMN2拷贝数少但临床表现高于预期的情况，若该变异体为纯合，病情可能更轻[26]。c.859G>C突变几乎没有发生在SMA 1型患者中。另外有研究发现SMN2内含子6中A-44G、A-549G和C-1897T突变也有一定疾病修饰作用[28]。若SMN2基因出现甲基化也会使病情比预期更严重[29]，用DNA去甲基化剂处理成纤维细胞后SMN2基因表达升高。

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

该基因表达ZPR1蛋白，其存在于细胞质和细胞核中，参与细胞周期调控、pre-mRNA剪接、髓鞘形成和轴突形成等过程。该蛋白是SMN2基因转录调节因子，能够增加SMN蛋白表达水平。有研究报道[29]，SMA患者和老鼠模型ZPR1蛋白表达有下调现象，会导致膈神经的髓鞘增生和轴突变性，加重了SMA的呼吸功能障碍。通过SMA小鼠过度表达ZPR1蛋白，能增加SMN蛋白水平，延长小鼠寿命，能让其从严重型转变为较轻型[30]。

2.2.3 神经细胞凋亡抑制蛋白(neuronal apoptosis inhibitory protein,NAIP)基因 同样位于5q13，与SMN1相邻，是运动神经元凋亡的负调控因子，亦被认为是SMA表型修饰基因。全长约70 kb，有16个外显子，多数为外显子5或6缺失，其编码的NAIP蛋白可抑制细胞凋亡，功能缺失可使前角运动细胞过度凋亡，导致运动神经元受损，引起继发性肌肉萎缩，加重SMA病情。研究[31]发现同一类型SMA患者中，相比无NAIP缺失，有该基因缺失发病时间提前，常出现呼吸困难等严重症状，死亡风险更高。总之，NAIP拷贝数与SMA表型严重程度呈负相关。进行遗传咨询和预后评估时，可以结合SMN2拷贝数和NAIP拷贝数。

2.2.4 网质3(plastin 3,PLS3)基因 其定位于X染色体q23，是SMA正向调控基因。PLS3蛋白过度表达能增加运动轴突稳定性，改善内吞作用，改善神经肌肉连接，延长生存[32]。通过对年龄大于3岁的女性SMA患者外周血PLS3表达水平的研究[33]发现，表型较轻者该蛋白水平较高，在男性患者中无明显差异。有两种与PLS3蛋白相互作用，同样具有SMA修饰作用的蛋白：一种是与PLS3相互作用的冠蛋白1C(CORO1C)，其与PLS3的直接结合依赖于钙，其修饰作用与PLS3相似，过度表达能挽救SMA斑马鱼模型中截断的轴突[32]；另一种是作为PLS3的直接相互作用钙调磷酸酶B同源蛋白1(CHP1)[34]，在神经元组织中表达尤其丰富，包括海马、皮质、小脑和脊髓，SMA小鼠模型研究显示该蛋白表达水平下调可以改善内吞作用，恢复轴突生长，延长寿命。

2.2.5 神经钙蛋白δ(neurocalcin delta,NCALD)基因 该基因表达的NCALD蛋白是钙依赖性内吞负调控因子，表达下调对SMA表型具有保护作用；通过敲除包括蠕虫、斑马鱼和小鼠SMA动物模型NCALD基因证实其表达下调能改善轴突发育、神经肌肉接头突触功能[35]。最近通过小剂量SMN-反义寡核苷酸(SMN-antisense oligonucleotide,SMN-ASO)皮下注射和NCALD-ASO单次脑室内注射联合治疗SMA小鼠表明，其显著改善了神经肌肉连接和肌肉的电生理特征[36]。这为联合SMN依赖性治疗和非SMN依赖性治疗方案提供了一定参考。

3 结语

SMA是多系统受累疾病，目前靶向治疗如诺西那生、索伐瑞韦主要针对运动神经元，患者后期是否会出现其他系统表现尚需继续观察。患者临床表型差异大，与SMN2基因、ZPR1基因、NAIP基因、PLS3基因等多个修饰基因密切相关，但通过基因型精确预测临床表型仍存在困难，需要进一步研究。通过对发病机制、修饰基因的研究，新的治疗方案如SMN依赖性和非SMN依赖性联合治疗在SMA动物模型中也取得了一定效益。但目前治疗方案远期疗效及不良反应仍需继续评估。