DMD基因敲除小鼠助力杜氏肌营养不良症的研究

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DMD基因简介
DMD基因，负责编码Dystrophin蛋白，中文名称为肌营养不良蛋白或抗肌萎缩蛋白。DMD蛋白是肌膜稳定所必需的，因为它提供了肌膜上肌萎缩蛋白相关蛋白复合体(DAPC)和肌动蛋白细胞骨架之间的重要联系。该蛋白起缓冲连接的作用，将肌肉细胞锚定在周围的结构上，DMD蛋白的缺乏会导致DAPC的分解和肌动蛋白与细胞外基质之间相互作用的丧失，从而导致肌纤维容易受到机械损伤[1]。DMD基因位于人类的X号染色体上，基因全长约2.2Mb，共有89个外显子，氨基酸数量为3685个。该基因的突变与杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy，DMD）相关。
 

图1. 肌营养不良蛋白作为内部细胞骨架和细胞外基质之间的重要纽带[1]
 

表1. DMD的基本信息

备注：标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠

杜氏肌营养不良症
杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy，DMD）是一种严重的X染色体隐性遗传疾病，该疾病是由DMD基因的突变引起的，这种突变会阻断肌肉中DMD蛋白的产生，从而导致肌肉萎缩并引发多种并发症。贝克尔肌营养不良症（Becker muscular dystrophy, BMD）和DMD一样，是由DMD基因中的突变引起的，但由于突变位点的不同，仍能产生部分具备功能性的DMD蛋白，因此BMD患者症状相较于DMD患者要轻。
 

图2. 健康骨骼肌横截面染色（a-d）和来自DMD患者的骨骼肌横截面染色（e-h）[2]

DMD主要发生于男性，全球平均每5000个男婴就有一人患此疾病。患者在2-3岁左右会出现运动困难等早期症状，大多数患者在10-12岁左右开始依赖轮椅，并在20岁左右需要辅助呼吸。在最佳护理下，大多数DMD患者在20至40岁之间死于心脏或呼吸衰竭[2]。

DMD相关动物模型
DMD这种疾病最广泛使用的动物模型是30年前首次发现的肌营养不良蛋白缺陷mdx小鼠，它像DMD患者一样，在抗肌萎缩蛋白基因本身上存在突变，从而导致全功能性的肌营养不良蛋白表达减少。小鼠体内的Dmd mdx突变在23号外显子上有一个终止密码子，能够产生截短蛋白，并具有DMD的肌病理学特征；但其肌病理状态较人类病程中表现得更轻微，且可根据小鼠品系遗传背景发生改变。
 

图3. 小鼠模型中突变的位置[3]

图4. mdx小鼠模型中的肌肉横截面[3]

DMD的治疗
目前DMD的整体治疗思路主要分为以下两个方面：恢复功能性肌营养不良蛋白表达和靶向DMD发病机制的途径。通过基因添加、外显子跳跃、终止密码子读取和基因组编辑等疗法可以恢复部分功能性DMD蛋白的表达，从而减轻患者的肌纤维损伤及萎缩。基因添加疗法主要是使用AAV等病毒载体传递功能性DMD的cDNA拷贝到受影响的组织，从而让组织重新表达DMD蛋白。外显子跳跃使用小片段修饰的RNA或DNA，称为反义寡核苷酸，它们与前mRNA肌营养不良蛋白转录物的目标外显子中的特定序列结合。这种结合会导致目标外显子的跳过，从而恢复阅读框并能够产生部分功能性肌营养不良蛋白，而不是非功能性肌营养不良蛋白。
 

图5. DMD的基因治疗[2]

DMD蛋白的丧失会触发多种病理途径，包括炎症、钙稳态丧失、功能性缺血和肌肉再生受损。而除了旨在纠正导致功能性DMD表达减少的疗法外，目前在临床试验中同样在研究针对由DMD蛋白表达减少引起的继发性病理的化合物来改善肌肉功能和质量，主要包括抗炎化合物、抗氧化剂、血管扩张剂等。

小结
DMD突变作为杜氏肌营养不良症的主要发病原因，尽管其主要病因为功能性DMD蛋白缺失，但其发病机制存在很强的异质性，在不同患者体内DMD基因存在多种突变。尽管目前的基因疗法已取得初步成效，但一些困难和挑战仍未解决。首先，尚不清楚这些微肌营养不良蛋白在人体中的功能，不同外显子组合行程的DMD蛋白的生物学功能具有差异，例如BMD患者体内产生的DMD蛋白具有部分功能活性，而一些突变个体产生的DMD蛋白可能含有更多外显子，但其蛋白活性完全缺失，肌萎缩症状反而会加剧。其次，通过转基因外援表达DMD蛋白也有局限性，转基因表达的寿命是有限的，并且大批量生产病毒载体是十分耗时且成本昂贵的。外显子跳跃方法是针对前 mRNA转录本，由于反义寡核苷酸、RNA转录物易降解，必须重复使用反义寡核苷酸处理。
 

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参考文献：

[1] R.J. Fairclough, et al., Therapy for Duchenne muscular dystrophy: renewed optimism from genetic approaches, Nat Rev Genet, 14 (2013) 373-378.

[2] D. Duan, et al., Duchenne muscular dystrophy, Nat Rev Dis Primers, 7 (2021) 13.

[3] J.W. McGreevy, et al., Animal models of Duchenne muscular dystrophy: from basic mechanisms to gene therapy, Dis Model Mech, 8 (2015) 195-213.