脊髓小脑共济失调3型发病机制研究进展

（综述节选  2017）

 

       脊髓小脑共济失调3型(Spinocerebellar ataxiatype 3,SCA3)又称为马查德约瑟夫病(MJD),是我国遗传性共济失调(HA)中最常见的亚型,约占所有遗传性共济失调的60％,其患病率为3～5/10万,仅我国就有4万余名患者。该病以进展性小脑型共济失调为主要临床表现,主要包括步态不稳、肢体摇晃、动作准确性变差等,可伴眼外肌麻痹、吞咽困难、舌肌纤颤、锥体征及锥体外系征等其他临床表现,多数患者在起病后10～20天内失去运动能力。目前此类疾病的常规治疗只能改善临床症状,缺乏有效治疗手段,给患者及其家庭造成极大的躯体、精神和经济负担,因此对脊髓小脑共济失调3 型发病机制进行深入研究,寻找新的治疗靶点具有重要意义。

 

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SCA3 的致病基因和致病蛋白(Ataxin-3)

1.1　致病基因(Ataxin-3 基因)　SCA3是一种常染色体显性遗传病,Ataxin-3 基因(又称为MJD1基因)突变所致。1994年,日本科学家首先发现并报道了Ataxin-3基因。Ataxia-3 基因位于14号染色体长臂,含有11个外显子,其10号外显子中有一段CAG 重复序列。正常人Ataxin-3基因CAG 重复次数为12～44 次,当CAG重复次数≥52 次时,即会发病,而当CAG 重复次数在45～51次时,疾病不完全外显(即可能会发病或发病症状不典型),因其由CAG 重复过多而使其翻译形成过长的多聚谷氨酰胺链而致病,故SCA3 是一种多聚谷氨酰胺病。

 

1.2 致病蛋白（Ataxin-3蛋白）　Ataxia-3蛋白是一种广泛表达的去泛素化酶,分子量约42 kDa(千道尔顿),因多聚谷氨酰胺链长短不一,分子量会有所差异,该蛋白具有3个重要结构:Josephin 结构域、泛素结合区(UIM)和PolyQ序列。其Josephin 结构域具有去泛素化酶活性,UIM 结构域则可特异地识别并结合泛素化的蛋白底物。Ataxia-3通过其UIM 结构特异识别泛素化的蛋白底物,进而通过其Josephin 结构域发挥去泛素化酶活性,使与其结合的底物去泛素化,调节底物蛋白的活性和稳定性。Ataxia-3 的PolyQ结构为其致病突变直接调控的结构,可抑制组蛋白乙酰化过程而调节转录过程。

 

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发病机制

2.1　包涵体形成　神经元内广泛的包涵体形成是SCA3 病人及动物模型最早发现的特征病理改变,主要位于细胞核内,此外轴突内亦可形成少量包涵体。轴突内的包涵体可干扰神经元的轴浆运输,进而导致神经元功能受损;而核内包涵体形成的意义目前仍存在较大争议。有研究提示包涵体具有毒性作用,神经元内包涵体形成的多少与疾病严重程度成相关,包涵体中成分复杂,其中包括泛素、蛋白酶体组分、分子伴侣、转录因子、正常Ataxia-3蛋白等细胞内必需组分,这些重要物质聚集在包涵体内,不能正常发挥相应功能,进而影响细胞内多种代谢过程,导致细胞内环境紊乱。目前认为包涵体形成是由突变的Ataxia-3蛋白裂解而促发。

 

2.2　Ataxia-3毒性片段的形成　 Ataxia-3蛋白可被钙蛋白酶裂解形成C端片段和N端片段,其中polyQ 位于C端片段,正常情况下C端片段及N端片段均可被降解,不会聚集形成包涵体;突变的Ataxia-3 被calpain 裂解后,其含延长的polyQ 的C-端片段形成不溶性的核内包涵体。体内动物实验发现抑制钙蛋白酶的活性可减少SCA3 小鼠动物模型的包涵体形成,缓解其神经系统退行性变;增强钙蛋白酶的活性,则使SCA3小鼠模型的神经系统退行性变加重。

 

2.3　转录异常　转录异常被认为在SCA3 发病过程中起重要作用。在SCA3 发病过程中,转录因子可被结合到核内包涵体中,使转录因子水平下调,不能发挥正常的转录调控功能,引起转录异常。此外,突变的Ataxia-3 失去对组蛋白乙酰化的抑制,组蛋白乙酰化水平升高,引起转录异常。有研究显示,突变的Ataxia-3蛋白后,其亮氨酸拉链结构与DNA 双链的GAGGAA 富集区相互作用异常,影响转录。

 

2.4　RNA异常　在SCA3发病进展过程中,多种ataxia-3 相关RNA存在异常。Ataxia-3 基因的CAG 重复序列可编码含CUG重复序列的RNA。Li 等的研究表明,含过长CUG 重复序列的RNA 片段本身有毒性作用,在果蝇模型中,转录含过长CUG 重复序列的RNA,可导致果蝇神经功能退化。进一步研究显示,含过长CUG 重复序列的RNA 可形成发夹样结构,并和MBNL1(Muscleblind Like 1)在细胞核中共定位,提示其可将MBNL1 募集到细胞核中,使MBNL1 介导的RNA 可变性剪接发生异常,进而导致下游蛋白表达异常,并导致细胞功能异常。

 

2.5　蛋白质质量控制系统异常　SCA3主要通过影响分子伴侣系统、内质网有关降解途径、泛素-蛋白酶体系统(UPS)及自噬溶酶体通路等途径影响蛋白质降解过程。热休克蛋白在调控蛋白质质量控制系统,介导蛋白质聚集及解聚,维持细胞内环境稳定等方面起重要作用。在多种多聚谷氨酰胺病中,均发现在疾病早期热休克蛋白表达上调,增加错误折叠蛋白的在细胞中的溶解度,减少其聚集,而随着疾病进展,热休克蛋白的水平持续下调。在SCA3病人脑组织中,发现HSP40、HSP90 在包涵体中和Ataxia-3 共定位；而在SCA3动物模型中,可见HSP40、HSP70 的表达水平下调;此外,在SCA3病人来源的成纤维细胞中,发现HSP40的表达水平和SCA3 的发病年龄相关联；而在SCA3细胞模型中过表达HSP40时,神经细胞内的包涵体形成减少,可见热休克蛋白在SCA3发病过程中起重要作用,上调热休克蛋白可作为潜在的治疗策略。

    自噬溶酶体通路在降解大分子蛋白复合物及维持细胞内环境稳定的过程中起重要作用。一系列研究表明,自噬溶酶体通路在SCA3 中受损。Beclin1在自噬通路中起重要作用,在SCA3小鼠模型中,受累脑区Beclin1含量减少;过表达Beclin1,激活自噬系统,可缓解SCA3 小鼠模型的神经功能缺损并减少神经元内包涵体形成,提示自噬异常在SCA3 发病过程中起重要作用,调控自噬通路可作为潜在的治疗靶点。

 

2.6　线粒体功能异常与细胞凋亡　既往研究表明,在亨廷顿病、脊髓小脑共济失调7型等多种polyQ 疾病中,均存在线粒体能量代谢异常。在SCA3 细胞模型及动物模型中,亦发现细胞能量代谢障碍,其线粒体呼吸链复合体活性降低,导致自由基清除能力降低,自由基大量蓄积,一方面导致线粒体DNA损伤,DNA拷贝数降低,另一方面导致氧化压力增加,最终促发细胞凋亡。在SCA3患者受累脑区进行病理染色,亦可见细胞凋亡的表现如核固缩、凋亡小体形成。目前关于线粒体功能异常及细胞凋亡在SCA3发病过程中所起到的作用仍不十分明确,有学者认为抗氧化治疗可能在SCA3疾病治疗中起一定作用,但具体机制仍需要进一步研究。

 

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总结与展望

    SCA3疾病目前发病机制尚未明确,现主要通过对症治疗提高患者的生活质量。而随着科学的发展,随着人类对这一疾病机制研究的不断深入,随着基因治疗、细胞治疗等新的治疗方式出现,必将为疾病治疗提供了新的思路,更有效的治疗靶点也会被不断发现。相信在不久的将来,人类对这一疾病定能找到更好的治疗办法。

  (来源：中国实用神经疾病杂志  2017年20卷第2期：124～126)