【Gene of the Week】杜氏肌营养不良症致病基因DMD

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基因基本信息

DMD 基因研究概况

杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy, DMD）是最常见的单基因遗传性疾病之一，该疾病发现于19世纪，也是如今大热的基因治疗领域中最受关注的疾病之一。这是由于该疾病的致病基因十分明确，有且只有一个，就是dystrophin，中文名既可以是肌营养不良蛋白，又可以叫做抗肌萎缩蛋白。该基因在保证人类正常肌肉结构和功能中是不可或缺的。

DMD基因位于X染色体上，造成的疾病属于X染色体连锁疾病。杜氏肌营养不良会引起骨骼肌衰弱，并最终造成心肌衰弱，导致死亡，患者在呼吸机和重度护理的辅助下最多能活到30多岁。部分患者还会出现认知障碍和肠道问题。此外DMD还有一种弱化版的形式，叫做贝克尔肌营养不良症（Becker muscular dystrophy, BMD），虽然也是DMD基因的突变，但由于突变位点的不同，仍能产生少量具备功能的蛋白。DMD是一个超大基因，长度超过2.2M bp。巨大的长度也导致了该基因潜在发生突变位点的数量大大增加。

图1. DMD蛋白结构和位置。图中显示人类的DMD蛋白的基本结构及在细胞膜附近的定位，NT表示氨基末端，CT表示羧基末端，CR表示亮氨酸重复区域，竖向橄榄状区域表示24个血影蛋白重复区域（spectrin-like repeats， SLR），此外还有4个标注为H1-H4的铰链结构。Dystrophy在N端和中间区域各有一个Actin结合域，1-3号SLR能与细胞膜结合；16-17号SLR则可以结合nNOS；20-23号SLR可以与微管相互作用；H4和CR则能结合β亚基营养不良聚糖（β-subunit of dystroglycan, βDG）；最后的CT则能同时与互养蛋白及小肌营养蛋白结合。信息来源：10.1242/dmm.018424.

虽然完整的Dystrophy蛋白早就被证明了具有在动物模型中治疗DMD的作用，但由于DMD的全长cDNA本身已经接近14kb，无法装载到常用的病毒载体中，从而造成其在临床上的应用非常困难。临床发现BMD中截短了的Dystrophy仍然具有大部分全长Dystrophy的功能，这提示了要缓解DMD，可能并非需要执着于全长蛋白。因此，6kb片段的mini Dystrophy和3.6kb的micro Dystrophy被相继开发出来，用于DMD的治疗，虽然功能肯定不及完整的蛋白，但其效果仍然是喜人的。

图2. 治疗性DMD的探索。

信息来源：10.1016/j.ymthe.2017.02.019.

前文已经对DMD蛋白进行过描述，图3A所示为DMD的mRNA结构，其中ABD表示Actin结合域编码区。在该基因上可能发生删除、重复、插入以及各种点突变。如果发生移码突变或者无义突变，就发展为DMD，如果没有移码突变，则大概率发展为症状较轻的BMD。人们可以通过反义核苷酸（antisense oligonucleotide, ASO）使得蛋白表达时跳过部分突变的外显子（宁可丢失部分结构，也要杜绝移码突变）或者直接用病毒装载Micro-或者Mini-DMD进行治疗。

图3B展示的则是DMD相关模型的突变位点，其中mdx小鼠于上世纪80年代就已经开发了出来，该小鼠的23号外显子上的C突变成了T，产生了无义突变，导致蛋白结构损失大半，但这种小鼠的症状却并没有达到预期，寿命也仅仅比野生型小鼠缩短1/4。因此，人们也尝试了对很多其他位点进行突变造模，有在外显子上的，也有在内含子上的，都获得了一定的表型。但总体而言，小鼠受DMD突变的影响要小于人类。

图3. DMD的基因治疗和Dystrophy的相关模型

信息来源：10.1242/dmm.018424。

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推荐文献：

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.

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