NatureMedicine原发性代谢紊乱在儿童肌萎缩侧索硬化症中的作用

　　原发性代谢紊乱在儿童肌萎缩侧索硬化症中的作用
　　2021年5月，美国国立卫生研究院、瑞士苏黎世大学、美国健康科学统一服务大学等单位的相关研究人员在《Nature Medicine》（IF: 36.13）上发表了题为＂Childhood amyotrophic lateral sclerosis caused by excess sphingolipid synthesis＂的研究论文，将过量的鞘脂生物合成定义为运动神经元疾病的基本代谢机制。
　　亮点概述： 在7个表现为儿童期肌萎缩侧索硬化症（ALS）的家族中发现了4个特异的、主要作用的SPTLC1变异体。  SPTLC1变异体破坏了ORMDL蛋白对丝氨酸棕榈酰转移酶（SPT）的正常稳态调节，导致SPT活性不受调节和标准SPT产物水平升高。  通过siRNAs可选择性靶向SPTLC1 ALS等位基因降解，保持正常等位基因完整，并在体外使鞘脂水平正常化 。
　　研究背景
　　肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种进行性神经退行性疾病，具有不同的发病年龄、运动神经元变性模式和疾病进展。越来越多的家族性和早发性ALS病例的基础是具有单基因遗传的致病变异。这种精确的单基因原因可以为疾病提供独特的病理生理学见解，并指导合理的治疗设计。虽然ALS发病机制涉及多种细胞过程，但迄今为止尚未发现ALS的单基因代谢形式。
　　丝氨酸棕榈酰转移酶（SPT）通过浓缩L-丝氨酸和活化酰基辅酶A（最常见的棕榈酰辅酶A）形成长链碱基，对鞘脂生物合成的初始和限速步骤进行催化。SPT活性需要密切的稳态调节，以确保足够的鞘脂合成，并防止由于过量的鞘脂而引起的细胞毒性。编码SPT两个亚单位SPTLC1和SPTLC2的基因变异，改变SPT氨基酸底物的使用是遗传性感觉和自主神经病变1型（HSAN1）和黄斑毛细血管扩张2型的基础。这些变体增加了SPT对L-丙氨酸或甘氨酸的使用，而不是L-丝氨酸，并导致脱氧鞘脂的合成。脱氧鞘脂缺乏一个关键的羟基部分，不能有效地被降解的细胞机制，并造成毒性。然而，目前还未发现没有任何人类疾病与SPT过度活跃有关。
　　研究人员首先在7个表现为儿童期ALS的家族中发现了4个显性作用的单等位致病性SPTLC1变异体。与该病的偶发性发生一致，SPTLC1变异是从头发生的。四名患者接受了肌肉活检，显示出与运动神经元疾病一致的急性和慢性神经源性变化。其中一名患者还进行了腓肠神经活检，未能发现有髓或无髓感觉神经纤维的任何异常，影像学表现也与运动神经元疾病一致。
　　儿童期ALS患者的SPTLC1变异
　　接着，研究人员探究了新发现的SPTLC1变体对SPT活性和底物偏好的影响。SPTLC1相关HSAN1患者的血清显示1-脱氧鞘脂（和脱氧甲基鞘脂）水平升高，这是由于SPT底物从L-丝氨酸转变为L-丙氨酸（和甘氨酸）。研究人员检测了ALS相关SPTLC1变异患者血清样本中的鞘脂，但未能检测到脱氧鞘脂水平的增加。相反，与对照组相比，游离二羟神经鞘氨醇和循环神经酰胺水平增加。与这些发现类似，HEK293 SPTLC1 敲除细胞中的变体建模显示经典HSAN1变体 p.(C133W) 中1-脱氧神经酰胺的从头合成增加而ALS变体中标准SPT产物水平增加。因此，ALS相关的SPTLC1变异体导致SPT活性不受限制，并且在其生化效应上与HSAN1变异体明显不同。此外，过量补充丝氨酸会进一步增加SPTLC1突变体细胞中已经升高的鞘脂水平，应避免作为治疗策略。
　　SPTLC1相关肌萎缩侧索硬化患者SPT典型鞘脂产物水平升高
　　与许多酶类似，SPT活性由其下游产物调节。通过添加外源性鞘氨醇或神经酰胺很容易观察到SPT的稳态抑制，并且需要神经酰胺合酶活性和ORMDL蛋白的存在。最近的研究已经确定了SPTLC1的第一个跨膜结构域在ORMDLs介导的SPT稳态调节中的特殊作用。因此，ALS相关SPTLC1变异体在蛋白质第一跨膜结构域中的聚集促使研究人员对其在ORMDL介导的SPT调节中的作用进行更密切的评估。结果发现，含有ALS SPTLC1变体的SPT对ORMDL3或外源性添加神经酰胺水平的增加没有像包含WT SPTLC1的SPT那样有效地响应。这表明ALS-SPTLC1变体减弱神经酰胺和ORMDLs对SPT复合体的稳态抑制作用。这一结论得到了最近解决的人体SPT/ORMDL3复合物的低温电子显微镜结构的有力支持，该结构揭示了SPTLC1的第一个跨膜结构域，其中ALS变体聚集，与ORMDL3的第三个跨膜结构域广泛接触。
　　ORMDL 蛋白介导的 SPT 稳态调节
　　最后，研究人员设计并验证了siRNAs，该siRNAs特异性地针对两个ALS相关SPTLC1变异体而不影响WT等位基因，这种方法成功地降低了突变体mRNA水平，并且在siRNA浓度下对WT等位基因几乎没有活性。此外，变异体SPTLC1的等位基因特异性敲除使从头开始的鞘脂合成速率恢复到接近正常水平，在体外挽救了生化表型。
　　含有与ALS相关的SPTLC1变异体的转录物的等位基因特异性敲除
　　总之，该研究报告了SPTLC1作为ALS的致病基因，并提出了一种新的运动神经元疾病代谢机制，通过建立基因内不同变异类别的生化和临床后果的显著二分法来扩展SPTLC1的疾病关联。该研究的等位基因特异性敲低为从基因发现到针对罕见疾病患者的小型临床试验中的突变特异性治疗方法提供了一个例子。