肌營(yíng)養不良癥（Muscular Dystrophy）是一類(lèi)由遺傳因素引起的疾病，表現為進(jìn)行性肌無(wú)力和退化。肌營(yíng)養不良癥有多種亞型，其中杜氏肌營(yíng)養不良癥（Duchenne Muscular Dystrophy，DMD）是最常見(jiàn)且最嚴重的亞型，也是常見(jiàn)的遺傳性神經(jīng)肌肉?。▓D1）。DMD通常由肌營(yíng)養不良蛋白（dystrophin）基因突變引起，該基因位于X染色體上，為X連鎖隱性遺傳，因此主要影響男性，女性多為攜帶者，發(fā)病率約為1/3500。DMD患者在出生至幼兒期發(fā)育正常，3-5歲便開(kāi)始出現步態(tài)異常，隨著(zhù)年齡增長(cháng)，肌肉逐漸萎縮，需使用輪椅代步，最終通常在20多歲時(shí)便因呼吸或心力衰竭而死亡。目前，DMD尚無(wú)高效精準的治愈方法。
圖1. 杜氏肌營(yíng)養不良臨床表現——肌無(wú)力和退化
Dystrophin在體內與多個(gè)相互作用蛋白形成肌營(yíng)養不良蛋白糖蛋白復合體（Dystrophin Glycoprotein Complex，簡(jiǎn)稱(chēng)DGC），主要分布在肌肉組織和神經(jīng)系統，在維持細胞結構和完整性、參與信號傳導、提供機械支持和防止細胞損傷等過(guò)程中發(fā)揮重要作用。DGC在細胞外側與細胞外基質(zhì)相互作用，在細胞內側通過(guò)dystrophin與細胞骨架連接，起到連接細胞內外的橋梁和紐帶的作用。這一特點(diǎn)使得DGC在肌肉收縮過(guò)程中能夠有效地傳遞和耗散機械力，進(jìn)而幫助保護和維持肌肉細胞膜的完整性和穩定性。除了dystrophin突變導致的DMD之外，DGC其他組分的突變還會(huì )引起多種肌營(yíng)養不良癥，包括貝氏肌營(yíng)養不良癥（BMD）、肢帶型肌營(yíng)養不良癥（LGMD）、先天性肌營(yíng)養不良癥（CMD）等。因此，針對DGC的研究對于深入理解肌營(yíng)養不良癥的發(fā)病機制和開(kāi)發(fā)相應的治療方法具有重要的意義。
2024年12月12日，西湖大學(xué)吳建平團隊聯(lián)合閆湞團隊在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex 的研究論文。
該研究首次報道了肌營(yíng)養不良癥的核心關(guān)聯(lián)蛋白——肌營(yíng)養不良蛋白糖蛋白復合體（Dystrophin Glycoprotein Complex，簡(jiǎn)稱(chēng)DGC）的高分辨結構，為這一重要復合體的組裝、機械傳導功能以及與肌營(yíng)養不良癥相關(guān)突變的發(fā)病機制提供了全新見(jiàn)解。
關(guān)于DGC的基礎研究以及肌營(yíng)養不良癥的臨床研究已經(jīng)積累了三十多年。盡管如此，DGC復合體的結構研究進(jìn)展緩慢，僅有個(gè)別組分的亞基結構被報道，而完整復合體的全貌一直未知，嚴重阻礙了對DGC組裝和功能的全面理解。鑒于DGC在生理和病理上的重要意義，其完整結構的研究一直是科學(xué)家們長(cháng)期追求的目標。
在最新的這項研究中，吳建平團隊和閆湞團隊從小鼠骨骼肌組織中分離出了天然內源性DGC復合體，并成功解析了其高分辨率結構，填補了該領(lǐng)域的空白。
這項研究首次呈現了DGC的高分辨率結構（分辨率3.2-3.5 ），揭示了總共9個(gè)蛋白組分，包括四個(gè)sarcoglycan（α-、β-、γ-和δ-），dystrophin，dystrobrevin，sarcospan，和兩個(gè)dystroglycan（α-、β-）（圖2）。此外，結構還鑒定了多個(gè)糖基化修飾（圖2綠色部分）及參與介導蛋白相互作用的脂類(lèi)分子（圖2紅色部分）。DGC整體呈現瘦長(cháng)的結構特征，具有較大的胞外結構域。其中，β-、γ-和δ- sarcoglycans（圖2藍色、黃色、青色部分）三個(gè)組分通過(guò)β-strand共折疊的方式形成獨特的β-螺旋塔狀結構（ECD塔）。這一塔狀結構就像一個(gè)堅實(shí)的承重柱牢牢地插在細胞膜上，不僅能夠穩定DGC的胞外結構域，而且為另外兩個(gè)關(guān)鍵蛋白組分α-dystroglycan（也稱(chēng)α-DG, 圖2卡其色部分）和α-sarcoglycan（圖2粉色部分）提供了支撐位點(diǎn)。這些蛋白組分又共同與dystrophin（圖2橙色部分）的CR結構域（cysteine-rich domain）在細胞膜內側附近形成廣泛相互作用，為dystrophin與細胞外的連接提供了結構基礎。
圖2. 小鼠骨骼肌內源DGC復合體高分辨結構電子密度圖
值得一提的是，該結構在許多方面顛覆了人們先前對DGC組分組裝模式的理解（圖3）。例如，先前的模型認為α-、β-、γ-和δ-sarcoglycans和sarcospan一起構成了DGC中的一個(gè)外圍亞復合體。然而，結構顯示sarcoglycans和sarcospan并沒(méi)有直接相互作用，而是分別位于β-dystroglycan（也稱(chēng)β-DG，圖3左淺褐色，圖3右深褐色部分）跨膜螺旋的兩側，進(jìn)而幫助穩定β-dystroglycan。這其中由β-、γ-和δ-sarcoglycans形成的胞外側ECD塔也是首次報道。此外，相比先前認為dystrophin與β-dystroglycan互作的模型，結構揭示了sarcoglycans蛋白在參與dystrophin錨定在細胞膜內側的過(guò)程中發(fā)揮了更為關(guān)鍵的作用。
圖3. 先前的DGC組裝（左）和基于結構研究的DGC組裝（右）的卡通模型對比
該結構為過(guò)去三十年臨床研究中積累的大量與肌營(yíng)養不良癥相關(guān)的突變機制提供了寶貴的見(jiàn)解（圖4）。研究團隊揭示與肌營(yíng)養不良癥相關(guān)的致病突變大多分布于三個(gè)區域，包括ECD塔、a-sarcoglycan以及dystrophin與其他蛋白的作用界面，這表明這些特定區域對于DGC發(fā)揮正常功能的重要作用。研究團隊重點(diǎn)分析了臨床上引起嚴重表型的肌營(yíng)養不良癥的突變，發(fā)現這些突變往往位于蛋白亞基的相互作用界面和ECD塔的內部（圖4c、d），推測這些突變會(huì )破壞蛋白質(zhì)內部的互作或影響蛋白穩定性。為此，研究團隊在體外表達了a-sarcoglycan膜外區部分，并在此基礎上測試突變體對蛋白表達和性質(zhì)的影響，發(fā)現所有測試的位于a-sarcoglycan上的單點(diǎn)致病突變均會(huì )影響蛋白的表達或穩定性，證實(shí)上述猜測。這為理解部分肌營(yíng)養不良癥的致病機制提供了深入見(jiàn)解。
圖4. 肌營(yíng)養不良癥相關(guān)的突變位點(diǎn)分布及潛在致病機制
此外，該工作為臨床開(kāi)發(fā)肌營(yíng)養不良癥的新型基因治療方法提供重要線(xiàn)索。目前針對DMD患者的治療手段非常有限，其中一個(gè)策略是通過(guò)基因治療方法來(lái)修補功能異常的dystrophin蛋白。但是，dystrophin編碼基因是人體最長(cháng)的基因之一，包括內含子在內的基因總長(cháng)度約有2.2Mb，編碼的蛋白則包含了3685個(gè)氨基酸。完整遞送如此長(cháng)的基因去替換致病基因，在技術(shù)上十分困難。為此，科學(xué)家嘗試利用簡(jiǎn)化版的micro-dystrophin來(lái)代替全長(cháng)蛋白。然而如何選擇合適的micro-dystrophin是基因治療的關(guān)鍵問(wèn)題。研究團隊所解析的結構顯示，在dystrophin上占全長(cháng)不足1/10長(cháng)度的CR區域（cysteine-rich domain，圖2橙色區域）是dystrophin參與DGC組裝最核心區域。這為設計潛在更合理有效的micro-dystrophin提供了重要參考。未來(lái)，這個(gè)結構所提供的重要線(xiàn)索，或許能為肌營(yíng)養不良癥的治療帶來(lái)新的希望。
從左至右：吳建平、閆湞、萬(wàn)里
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08310-2
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