外周组织在脊肌萎缩症发病机制中的作用

Spinal muscular atrophy (SMA) is the most common motor neuron degeneration disease in children, caused by loss-of-function mutations in the survival of motor neuron 1(SMN1) gene.Humans have an extra SMN2 gene; both genes encode the same SMN protein. However, a translationally silent C6T transition in SMN2 exon 7 results in predominant skipping of the exon during pre-mRNA splicing.Thus, SMN2 only generates a limited full-length functional protein that is not sufficient to compensate for the loss of SMN1. The best known function of SMN is assisting the assembly of U snRNPs, which are the main components of spliceosome. It is generally thought that the motor neuron degeneration in SMA is caused by defective pre-mRNA splicing of some genes; another hypothesis suggests that SMN is critial for axonal mRNA transport and local translation in growth cones.The exact molecular mechanism why SMN deficiency only or mainly affects motor neurons remains elusive.We have recently developed an antisense oligonucleotide (ASO) drug that increase SMN levels through correction of SMN2 splicing. The ASO drug is able to restore SMN levels in both central nervous system (CNS) and peripheral tissues in SMA mouse models. The ASO drug cannot pass the blood brain barrier (BBB).We delivered the ASO drug to CNS through intracerebroventricular(ICV) injection and to peripheral tissues through subcutaneous injection.Surprisingly, ICV administration only extended the median survial of severe SMA mice from 10 days to 16 days, while subcutaneous administration resulted in a 25-fold increase in median survial. Despite the slight leakage of the ASO drug into CNS after subcutaneous injection due to non-fully developed BBB of neonatal mice, our result indicates that peripheral tissues play enssential role in the pathogenesis of SMA.In this project, we will explore the cellular and molecular mechanisms underlying the importance of periperal tissues in the development of SMA.

脊肌萎缩症（SMA）是儿童中最常见的运动神经元变性疾病，由SMN1基因突变所致。人类还存在SMN2基因，两个基因都表达SMN蛋白，但SMN2有pre-RNA剪接缺陷只能表达少量SMN，不足够补偿SMN1功能丧失。SMN的主要功能是协助U snRNPs的组装，而U snRNPs是剪接体的重要成分，因此一般认为运动神经元在基因表达时产生剪接缺陷导致细胞死亡。另外有人认为，SMN在运动神经元有特异性功能，比如维持突触处的局部翻译。近来，我们设计了一个能纠正SMN2剪接而恢复SMN表达的反义药物，该药物能在SMA小鼠模型中恢复SMN的表达。有趣的是，当SMN仅仅在中枢神经系统恢复表达时，SMA小鼠寿命仅增加一倍不到，而当SMN在外周组织和中枢神经系统同时恢复部分表达时，SMA小鼠寿命增加近25倍。这一结果显示外周组织在SMA病理中起重要作用。本项目我们将研究外周组织导致SMA运动神经元死亡的机制。

脊髓性肌萎缩症（SMA）是儿童中常见遗传病，由于脊髓运动神经元退变导致进行性肌无力、萎缩。患者运动神经元生存蛋白1基因（SMN1)发生突变，失去了产生正常SMN蛋白的能力；每个患者都携带至少1拷贝SMN2（SMN1的同源基因），但SMN2基因存在RNA剪接缺陷，只能表达少量SMN蛋白，不足以维持运动神经元的需求。至今，为何SMN缺乏会导致SMA的病理机制尚不明了。我们近年来研发了一个反义核酸药物nusinersen (即ASO10-27)，可以纠正SMN2剪接缺陷、恢复SMN表达。在小鼠模型治疗过程中我们发现nusinersen全身性给药才有巨大疗效，而仅仅在中枢神经系统给药，效果非常有限。因此推测外周组织缺陷可能在SMA发生、发展中起重要作用。本项目我们首先比较仅仅在外周组织增加SMN水平与全身增加SMN水平的治疗效果，接着我们对肝脏、心脏、尾部血管的缺陷在组织、细胞和分子水平进行了深入探索。通过皮下注射nusinersen到全身同时配合脑室注射阻断剂，我们发现仅仅外周增加SMN表达可以完全治愈温和型小鼠模型表型（远端组织坏死），延长严重型小鼠寿命>20倍、恢复运动神经元数量、NMJ完整性。这些发现说明外周组织SMN恢复正常能补偿中枢的缺乏和保护运动神经元，SMA在小鼠模型不是一个运动神经元自主性的疾病。在对严重性小鼠模型心脏的研究中我们发现心肌细胞分裂能力受损、细胞凋亡活性增强，进一步转录组分析表明，细胞周期和凋亡相关的基因表达大规模失调。其中表达Survivin基因Birc5的表达在小鼠刚出生就显著下调。Survivin既是细胞周期中的关键蛋白，也参与细胞凋亡的调控，因此是SMA心脏病变的关键下游基因。我们同时对小鼠模型肝脏缺陷进行了深入研究，发现急性时相蛋白表达呈几十倍到几百倍的增高，进一步对肠道组织的分析发现上皮屏障有缺陷，导致体内细菌侵入明显增加。对小鼠尾部未发现交感神经异常，尾部坏死是由血管上皮细胞或血液缺陷所致，已鉴定出内皮细胞中血管生成相关的异常表达基因。以上结果不仅更进一步阐明了SMA的分子病理机制（特别是外周组织缺陷）、SMN下游信号通路，对临床药物治疗也具有重要借鉴作用。