杜氏肌營養(yǎng)不良癥致病基因DMD及其動物模型的介紹

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基因基本信息

DMD 基因研究概況
杜氏肌營養(yǎng)不良癥（Duchenne muscular dystrophy, DMD）是最常見的單基因遺傳性疾病之一，該疾病發(fā)現于19世紀，也是如今大熱的基因治療領域中最受關注的疾病之一。這是由于該疾病的致病基因十分明確，有且只有一個，就是dystrophin，中文名既可以是肌營養(yǎng)不良蛋白，又可以叫做抗肌萎縮蛋白。該基因在保證人類正常肌肉結構和功能中是不可或缺的。

DMD基因位于X染色體上，造成的疾病屬于X染色體連鎖疾病。杜氏肌營養(yǎng)不良會引起骨骼肌衰弱，并最終造成心肌衰弱，導致死亡，患者在呼吸機和重度護理的輔助下最多能活到30多歲。部分患者還會出現認知障礙和腸道問題。此外DMD還有一種弱化版的形式，叫做貝克爾肌營養(yǎng)不良癥（Becker muscular dystrophy, BMD），雖然也是DMD基因的突變，但由于突變位點的不同，仍能產生少量具備功能的蛋白。DMD是一個超大基因，長度超過2.2M bp。巨大的長度也導致了該基因潛在發(fā)生突變位點的數量大大增加。
 

圖1. DMD蛋白結構和位置。圖中顯示人類的DMD蛋白的基本結構及在細胞膜附近的定位，NT表示氨基末端，CT表示羧基末端，CR表示亮氨酸重復區(qū)域，豎向橄欖狀區(qū)域表示24個血影蛋白重復區(qū)域（spectrin-like repeats， SLR），此外還有4個標注為H1-H4的鉸鏈結構。Dystrophy在N端和中間區(qū)域各有一個Actin結合域，1-3號SLR能與細胞膜結合；16-17號SLR則可以結合nNOS；20-23號SLR可以與微管相互作用；H4和CR則能結合β亞基營養(yǎng)不良聚糖（β-subunit of dystroglycan, βDG）；最后的CT則能同時與互養(yǎng)蛋白及小肌營養(yǎng)蛋白結合。信息來源：10.1242/dmm.018424.

雖然完整的Dystrophy蛋白早就被證明了具有在動物模型中治療DMD的作用，但由于DMD的全長cDNA本身已經接近14kb，無法裝載到常用的病毒載體中，從而造成其在臨床上的應用非常困難。臨床發(fā)現BMD中截短了的Dystrophy仍然具有大部分全長Dystrophy的功能，這提示了要緩解DMD，可能并非需要執(zhí)著于全長蛋白。因此，6kb片段的mini Dystrophy和3.6kb的micro Dystrophy被相繼開發(fā)出來，用于DMD的治療，雖然功能肯定不及完整的蛋白，但其效果仍然是喜人的。
 

圖2. 治療性DMD的探索。
信息來源：10.1016/j.ymthe.2017.02.019.

前文已經對DMD蛋白進行過描述，圖3A所示為DMD的mRNA結構，其中ABD表示Actin結合域編碼區(qū)。在該基因上可能發(fā)生刪除、重復、插入以及各種點突變。如果發(fā)生移碼突變或者無義突變，就發(fā)展為DMD，如果沒有移碼突變，則大概率發(fā)展為癥狀較輕的BMD。人們可以通過反義核苷酸（antisense oligonucleotide, ASO）使得蛋白表達時跳過部分突變的外顯子（寧可丟失部分結構，也要杜絕移碼突變）或者直接用病毒裝載Micro-或者Mini-DMD進行治療。

圖3B展示的則是DMD相關模型的突變位點，其中mdx小鼠于上世紀80年代就已經開發(fā)了出來，該小鼠的23號外顯子上的C突變成了T，產生了無義突變，導致蛋白結構損失大半，但這種小鼠的癥狀卻并沒有達到預期，壽命也僅僅比野生型小鼠縮短1/4。因此，人們也嘗試了對很多其他位點進行突變造模，有在外顯子上的，也有在內含子上的，都獲得了一定的表型。但總體而言，小鼠受DMD突變的影響要小于人類。
 

圖3. DMD的基因治療和Dystrophy的相關模型
信息來源：10.1242/dmm.018424。
 

在過去的幾十年里，基因治療在治療遺傳性疾病方面取得了重大進展。以基因組學或蛋白組學的方式找到致病基因，再結合細胞水平或動物水平驗證，用這種模式產出的高質量文章層出不窮。

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推薦文獻：
1. McGreevy JW, Hakim CH, McIntosh MA, Duan D. Animal models of Duchenne muscular dystrophy: from basic mechanisms to gene therapy. Dis Model Mech. 2015 Mar;8(3):195-213. doi: 10.1242/dmm.018424.

PMID: 25740330; PMCID: PMC4348559.

2. Chamberlain JR, Chamberlain JS. Progress toward Gene Therapy for Duchenne Muscular Dystrophy. Mol Ther. 2017 May 3;25(5):1125-1131. doi: 10.1016/j.ymthe.2017.02.019. Epub 2017 Apr 15.

PMID: 28416280; PMCID: PMC5417844.