脊髓球肌萎缩症骨骼肌线粒体Ca2+

作者：于杰  北京积水潭医院

雄激素受体（AR）中的多谷氨酰胺扩张导致脊髓球肌萎缩（SBMA）。骨骼肌是毒性的主要部位；然而，目前对发生的早期病理过程及其在疾病进展过程中如何展开的理解仍然有限。使用转基因和敲入小鼠以及患者来源的肌肉活检，我们发现症状前阶段的SBMA小鼠出现呼吸缺陷，与兴奋-收缩耦合（ECC）相关基因的表达缺陷相匹配，收缩动力学改变，疲劳增加。这些过程之后是钙在线粒体中的刺激依赖性积累和肌肉三联体的结构紊乱。ECC基因表达的下调伴随着性成熟和血清中雄激素的升高。与这些改变的雄激素依赖性一致，手术去势和AR沉默减轻了早期和晚期的病理过程。这些观察表明，ECC失调和线粒体呼吸缺陷是早期但可逆的事件，随后是肌肉力量改变、钙稳态失调和三联体结构解体。

脊柱尺肌萎缩症（SBMA，OMIM 313200）也称为肯尼迪病，是一种遗传性神经肌肉疾病，由雄激素受体（AR）基因1外显子1中编码聚谷氨酰胺（polyQ）束的微卫星CAG三核苷酸串联重复序列的37个扩增引起。SBMA影响2–5/10000名受试者，这可能是由于误诊和缺乏疾病特异性生物标志物而导致的低估。SBMA是一种进行性迟发性疾病，其特征是下运动神经元（MN）的选择性变性以及骨骼肌的无力、束状和萎缩。该病是雄激素依赖性的，男性表现出充分的表现。AR是雄激素信号传导的主要媒介。雄激素结合后，AR发生构象变化，导致核易位和活化，这都是诱导毒性的必要步骤，从而解释了SBMA3的性别依赖性。在该疾病的小鼠模型中，神经肌肉表型、性依赖和外周症状得到了很好的概括。

在过去的十年中，临床和实验证据表明，骨骼肌萎缩不仅继发于MN功能障碍，而且是由聚Q扩增AR在肌纤维中的原发性细胞自主毒性引起的。患者表现出早期肌肉病理学和肌病的明显迹象，包括血清肌酸激酶水平升高、肌纤维变性和无线粒体的中心核样区域；所有这些变化都是在临床症状出现之前或出现时检测到的。类似地，在转基因和敲除SBMA小鼠中，肌病和内在肌肉力量生成减少的迹象先于脊髓病理。在导致SBMA肌肉萎缩的原发性和继发性病理过程中，有证据表明雄激素信号的失调是必要的，足以引起运动单位的功能改变。事实上，已经发现，在肌肉中选择性地过表达具有正常polyQ束大小的AR会引发在多个方面与SBMA相似的表型，表明AR在肌肉中的功能增加足以导致萎缩16。相比之下，已经发现在肌肉中选择性地切除polyQ扩增的AR表达可以预防疾病表现，明确表明骨骼肌中的突变AR表达对于在小鼠中引起SBMA样表型是必要的17。两个临床相关方面强调了骨骼肌在SBMA中的重要性。首先，肌肉损伤的血液生物标志物水平与疾病的严重程度相关18。第二，骨骼肌是治疗发展的宝贵目标组织。事实上，用反义寡核苷酸（ASO）抑制外周组织中polyQ扩增AR表达的药物干预，以及在刺激肌肉肥大的同时促进polyQ扩增的AR降解的策略，如胰岛素样生长因子和β激动剂，均能改善在不同SBMA小鼠模型中观察到的表型。这些观察结果支持骨骼肌是SBMA的中心，是治疗发展的关键靶组织的观点。骨骼肌占体重的30-40%。骨骼肌中发生的病理过程影响全身的稳态，从而有助于疾病的进展/结果，并提供相当大的治疗潜力，这需要更好地了解其病理生理基础。

骨骼肌收缩由MN中的动作电位通过一个称为兴奋-收缩耦合（ECC）的过程触发，该过程将肌膜中发生的电事件与肌纤维收缩和通过称为三联体的特殊结构产生的力联系起来；这些结构是肌膜的内陷，形成与肌浆网（SR）相接的横向小管（t管）。快速持续的肌肉收缩需要钙（Ca2+）和三磷酸腺苷（ATP）。Ca2+储存在SR的管腔中，ATP由位于t管附近的线粒体产生。Ca2+将肌肉收缩与ATP产生联系起来。当动作电位到达神经肌肉接头时，膜去极化导致二氢吡啶受体（DHPR）和ryanodine受体（RYR）的构象变化，导致Ca2+从SR释放到肌浆中。在静息状态和肌纤维收缩/松弛过程中，肌浆中的Ca2+浓度都通过负责高缓冲容量的蛋白质（即SR驻留钙螯合蛋白1（CASQ1）和CASQ2、肌浆小白蛋白（PV）和SR Ca2+-ATP酶（SERCA）1和SERCA2）的联合作用显著控制，将Ca2+泵回到SR22中。Ca2+动力学中的另一个重要参与者是SERCA抑制剂肌脂蛋白（SLN）。在生理条件下，线粒体Ca2+调节氧化磷酸化和ATP生成，Ca2+稳态的失调通常导致病理状态。我们之前已经表明，polyQ-expanded AR影响肌肉代谢，并导致SBMA小鼠和患者肌肉中的线粒体去极化和线粒体吞噬，这些特征通过ASO介导的polyQ-expended AR19的敲除而得到缓解。