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有一种罕见病，它的全球发病率在新生儿人群中仅为1/10000[1]，然而其凶险程度却完全不容小觑。它是2岁以下婴儿的头号遗传病杀手，它就是脊髓性肌萎缩症（SMA）。 SMA的患病人群从新生儿到成年人，病发症状从行走障碍到无法独坐，严重的连吞咽、咀嚼、甚至呼吸功能都逐渐退化。而在此前漫长的岁月里，自1891年首次有医学文献记录SMA以来，医生所能做的都只是姑息治疗或是症状缓解，并没有一款真正意义上的治疗药物。 直到2016年诺西那生钠注射液的出现，才从真正意义上终结了SMA无药可医的困顿时代。而诺西那生钠也随即荣获了“医药界的诺贝尔奖”——国际盖伦奖，两位参与研制的科学家也因此荣膺生命科学突破奖。 就是这样一款传奇的药物，其背后有着怎样的研发故事？这还要从二十年前的一次偶然相遇说起。 与罕见病的偶然相遇 1999年，在冷泉港实验室（CSHL）任职的分子遗传学家Adrian Krainer参加了美国国立卫生研究院（NIH）的一次研讨会。会上，他首次接触到了SMA。 SMA是一种常染色体隐性遗传病，会导致运动神经元的丧失和进行性运动功能下降，肌肉萎缩，肌无力，是2岁以下婴儿死亡的头号遗传因素。 其实，早在1891年，即有科学家对SMA的症状进行了描述；在随后的百年时光里，SMA的病理学机制也被逐步披露。但遗憾的是，在1999年的时候，我们仍旧只能够尽可能地维持患者的运动和生理机能、尽量提高他们的生活质量，但是对阻止疾病进程仍旧束手无策。  Adrian Krainer丨冷泉港实验室[2] 在研讨会上，Krainer了解到，SMA有两个关键的基因SMN1和SMN2，它们编码的都是运动神经元存活蛋白（SMN）。SMN1纯合缺失和突变是SMA的病因，而SMN2无法生产足够的全长SMN蛋白以弥补SMN1的缺陷。 换言之，SMN不足就是导致SMA发病的关键。 根据塔夫茨大学医学院Chiristian Lorson和同事们的发现，虽然SMN2基因与SMN1基因仅有5个核苷酸的不同，但是由于其中一个核苷酸（C/T）的不同，导致SMN2基因不能够完全补偿SMN1基因缺失或突变导致的SMN蛋白缺乏[3]。 一直以来，Krainer研究的就是转录机制，他从中看见了一个巨大的机会——修正SMN2的RNA剪接、增加全长SMN蛋白表达，或许能够成为治疗SMA的关键突破口。 五百里挑一的优胜者 想要说清楚这中间的奥妙，还得从我们的基因是如何工作的讲起。 基因是蛋白质的密码本，但是这本密码并不是连续的，在编码蛋白的外显子（exon）之间，还有并不会表现在“成品”中的内含子（intron）。在DNA转录为前RNA之后，一系列的剪接程序会将内含子剪除，以便后续的翻译。  RNA剪接过程[4] 复杂的是，被剪掉的不只有内含子。有些情况下，外显子也会被剪掉（exon jumping），此时，同一条DNA就会因为剪接不同而产生不同的蛋白质。 SMN2就是类似的情况。  因为剪接方式不同，同样的DNA可以产生不同的蛋白质[5] 其实，SMN1和SMN2都编码SMN蛋白，但是SMN2在RNA剪接时会跳过外显子7，生成一个缺了一段序列的蛋白SMNΔ7。SMNΔ7非常不稳定，很快就会在细胞环境中降解。总的来说，SMN2的表达产物中，只有10%-20%是具有正常功能的SMN蛋白[6]。 这也是为什么只有SMN1的突变会导致SMA，毕竟SMN2贡献出的SMN很少。而根据SMN2拷贝数的不同，SMA患者也会有不同的疾病表现。拥有较多SMN2拷贝的患者自身能够产生更多的SMN蛋白，得以较晚发病、症状也较轻，最不幸的那些孩子们则很可能在出生后几周就失去生命。 那么，如果能够找到SMN2跳过外显子7的机制，就有精准治疗的希望了。 有很多实验室开展了相关的研究，在2006年，麻省总医院Ravindra Singh和Nirmal Singh科研团队率先找到了那个关键——内含子剪接沉默子N1（ISS-N1）[7]。 ISS-N1是在内含子7中的一段15个碱基长的序列，它能与小核糖核蛋白（snRNPs）结合，使得剪接体不能正常识别剪接位点，导致外显子7被“误杀”。显然，ISS-N1就是恢复SMN2表达的绝佳靶点。 与此同时，Krainer和同事们的研究也有了眉目。在不同道路上努力奔跑的人们最终抵达了同一个终点，他们找到的有望通过SMN2治疗SMA的药物，靶向的正是ISS-N1。  [8] Krainer的研究思路与Singh并不相同。比起寻找SMN2表达的具体机制，Krainer更关注的是我们怎样才能够“操控”RNA的剪接。他想到的解答是反义寡核苷酸（ASOs）。 ASO其实就是一段与目标序列互补的RNA，能够通过与DNA或mRNA结合来影响靶基因的表达。 2003年，Krainer与Luca Cartegni设计了一种特异性的外显子激活剂，包括与驱动外显子剪接有关的SR蛋白和一段ASO。实验结果发现，这种方法能够有效恢复SMN2的正常剪接程序[9]，而且出乎意料的是，仅有ASO就足以发挥作用了[16]。 这项研究的发表促使当时的Isis制药（也就是现在的Ionis）与Krainer达成合作。他们针对SMN2的不同片段筛选了500多个ASO，最终的优胜者能够将SMN2表达正常SMN的比例提高到90%以上[10-11]；同时，Ionis特有的MOE修饰技术还让它获得了更好的稳定性，而18个核苷酸的长度意味着它的特异性很高，几乎不会脱靶[12]。 这个优胜者就是我们今天熟知的诺西那生钠。 划时代的希望： 从姑息治疗、症状治疗到疾病修正治疗 那么接下来的故事就顺理成章了。 科学家们很快开展了靶向ISS-N1的临床前研究，在多种SMA小鼠模型中看到了显著的治疗效果，尤其Krainer团队首先在小鼠中观察到，皮下注射诺西那生钠竟然能够将患病小鼠的中位寿命延长25倍，这篇论文也直接发表在了《自然》杂志上[13]。 不得不说漂亮的数据确实是给了研究者们莫大的鼓舞，接下来开展的临床研究则延续了这种惊喜。  靶向ISS-N1在多种模式小鼠中取得了治疗效果[8] 在1期研究中，患者对诺西那生钠耐受良好，Hammersmith运动功能量表扩展版（HFMSE）评分显著提升，可以认为治疗显著提高了患者的运动功能[14]；于2014年-2016年间开展的多中心随机双盲3期临床研究Endear和Cherish研究，更是因为中期分析已经达到主要终点而在2016年8月提前终止[15]，并且使得诺西那生钠在当年12月23日获FDA批准，成为首个用于治疗SMA的疾病修正治疗药物。 我们确实等了太久了。 自1891年人类首次描述SMA已经过去了一百多年，从只能保守地进行姑息治疗，到认识SMA病理后通过症状管理来维持患者的生理功能，再到第一种药物的出现。毫无疑问，诺西那生钠的获批具有划时代的意义，意味着我们真正掌握了“修正”SMA的希望。 2019年，诺西那生钠获NMPA批准进入中国；2021年，诺西那生钠进入医保药品目录。“每一个小群体都不应该被抛弃”，相信这份不再昂贵的希望能够真正点亮孩子们的人生。 参考资料： [1]Verhaart IEC, Robertson A, Wilson IJ, Aartsma-Rus A, Cameron S, Jones CC, Cook SF, Lochmüller H. Prevalence, incidence and carrier frequency of 5q-linked spinal muscular atrophy - a literature review. Orphanet J Rare Dis. 2017 Jul 4;12(1):124. doi: 10.1186/s13023-017-0671-8. PMID: 28676062; PMCID: PMC5496354. [2]https://www./research/faculty-staff/adrian-r-krainer/ [3]Lorson CL, Hahnen E, Androphy EJ, Wirth B. A single nucleotide in the SMN gene regulates splicing and is responsible for spinal muscular atrophy. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999 May 25;96(11):6307-11. doi: 10.1073/pnas.96.11.6307. PMID: 10339583; PMCID: PMC26877. [4]https://en./wiki/Intron [5]https://en./wiki/Alternative_splicing [6]'Spinal muscular atrophy'. Genetics Home Reference. Retrieved 15 May 2019. [7]Singh NK, Singh NN, Androphy EJ, Singh RN. Splicing of a critical exon of human Survival Motor Neuron is regulated by a unique silencer element located in the last intron. Mol Cell Biol. 2006 Feb;26(4):1333-46. doi: 10.1128/MCB.26.4.1333-1346.2006. PMID: 16449646; PMCID: PMC1367187. [8]Singh NN, Howell MD, Androphy EJ, Singh RN. How the discovery of ISS-N1 led to the first medical therapy for spinal muscular atrophy. Gene Ther. 2017 Sep;24(9):520-526. doi: 10.1038/gt.2017.34. Epub 2017 May 9. PMID: 28485722; PMCID: PMC5623086. [9]Cartegni, L., Krainer, A. Correction of disease-associated exon skipping by synthetic exon-specific activators. Nat Struct Mol Biol 10, 120–125 (2003). https:///10.1038/nsb887 [10]Hua Y, Vickers TA, Baker BF, Bennett CF, Krainer AR. Enhancement of SMN2 exon 7 inclusion by antisense oligonucleotides targeting the exon. PLoS Biol. 2007 Apr;5(4):e73. doi: 10.1371/journal.pbio.0050073. PMID: 17355180; PMCID: PMC1820610. [11]Hua Y, Vickers TA, Okunola HL, Bennett CF, Krainer AR. Antisense masking of an hnRNP A1/A2 intronic splicing silencer corrects SMN2 splicing in transgenic mice. Am J Hum Genet. 2008 Apr;82(4):834-48. doi: 10.1016/j.ajhg.2008.01.014. Epub 2008 Mar 27. PMID: 18371932; PMCID: PMC2427210. [12]Yoshida T, Naito Y, Sasaki K, et al. Estimated number of off-target candidate sites for antisense oligonucleotides in human mRNA sequences[J]. Genes Cells, 2018, 23(6): 448-455. [13]Hua Y, Sahashi K, Rigo F, Hung G, Horev G, Bennett CF, Krainer AR. Peripheral SMN restoration is essential for long-term rescue of a severe spinal muscular atrophy mouse model. Nature. 2011 Oct 5;478(7367):123-6. doi: 10.1038/nature10485. PMID: 21979052; PMCID: PMC3191865. [14]Chiriboga CA, Swoboda KJ, Darras BT, Iannaccone ST, Montes J, De Vivo DC, Norris DA, Bennett CF, Bishop KM. Results from a phase 1 study of nusinersen (ISIS-SMN(Rx)) in children with spinal muscular atrophy. Neurology. 2016 Mar 8;86(10):890-7. doi: 10.1212/WNL.0000000000002445. Epub 2016 Feb 10. PMID: 26865511; PMCID: PMC4782111. [15]Garber K. Big win possible for Ionis/Biogen antisense drug in muscular atrophy. Nat Biotechnol. 2016 Oct 11;34(10):1002-1003. doi: 10.1038/nbt1016-1002. PMID: 27727217. [16]Garber K. Big win possible for Ionis/Biogen antisense drug in muscular atrophy[J]. Nature biotechnology, 2016, 34(10): 1002-1004. 本文作者 | 代丝雨 |
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