SMN1基因敲除小鼠与脊髓性肌萎缩症(SMA)

一、SMA与SMN1基因研究背景

脊髓性肌萎缩症（SMA）是一种具高致亡性、致残性的罕见病，被称为两岁以下婴幼儿的头号遗传病杀手。自1996年起，包括欧洲、美国、加拿大、澳大利亚等地在内的全球脊髓性肌萎缩症（SMA）群体将每年的8月定为SMA关爱月，并在这个月里举行各种疾病宣传活动，提升社会公众对SMA这一罕见疾病的了解，以及对SMA群体的关爱支持。

绝大部分SMA患者（95%）是因SMN1基因第7号外显子纯合缺失所致病，另外5%患者的致病因也与这一基因的第7号外显子有关。鉴于“7”这个数字对SMA的特殊意义，2018年北京市美儿SMA关爱中心倡导发起在原来国际普遍接受的8月为SMA宣传月的基础上，将8月7日定为国际SMA关爱日，提高各界社会公众对SMA患者的重视及关爱。今天的《Gene of the Week》就让我们一起了解SMA及其致病基因SMN1吧！

图1. 国际SMA关爱日LOGO。这是由两条出现断裂的DNA螺旋结构组成数字“7”主图案，代表SMA主要是由致病基因上第7号外显子缺失所致。红蓝两主色分别代表了对SMA群体的持续关爱和对疾病的不懈探索研究。配合英文文字“World SMA Awareness Day”和国际化的设计风格构成了承载完整信息的“国际SMA关爱日”LOGO。

SMN1缺失与SMA的关系如何理解？

SMN1致病变异涉及缺失、基因转换及其他序列变异等情况，不能将所有患者的致病原因归为同一种第7外显子缺失。前文95%与5%的简要描述应结合不同检测方法和变异类型理解。[4]

二、SMN1基因基本信息

表1. SMN1的基本信息

三、SMN1基因与SMN蛋白功能

运动神经元存活基因1（survival motor neuron gene 1, SMN1）编码与之同名的蛋白。该蛋白与人类遗传病脊髓性肌萎缩（Spinal Muscular Atrophy, SMA）密切相关，该疾病大多数情况下会导致新生儿2周岁之前死亡。SMN1的单拷贝失活（无症状）现象在亚洲人群中大约是1/50，这就造成了1/10000左右的新生儿发病率（不同人种地域的突变频率有所区别）。SMN1是剪接体的组成部分，剪接体复合物在小核糖核蛋白 (snRNPs)的组装中起着催化剂的作用，因此在pre-mRNA的剪接中起着重要的作用。从其命名就可以看出，该蛋白在维持运动神经元的生存方面不可或缺。

图2. SMN1结构。图中显示人类SMN1成熟的mRNA和蛋白线性化的结构区域。箭头指示的是翻译起始和终止位点。不同区域内部的数字表示氨基酸数量。下方则是对该基因的不同功能区进行注释。

上述早期死亡描述应限定于相应严重类型及自然病程背景，不适用于所有SMA类型或接受治疗后的结局。携带频率和发病率也需结合人群及统计来源判断，不作为个体预后的推断。[4]

四、SMN1与SMN2有什么区别

人类SMN基因分为SMN1和SMN2, SMN1基因位于端粒侧，转录后产生全长mRNA，SMN2基因位于着丝粒侧，SMN2基因与SMN1基因在外显剪接增强子处有一个核苷酸的差异，从而使得转录后的SMN2缺失第7个外显子，编码截断的SMN蛋白，截断的SMN蛋白丧失全长SMN蛋白的功能，并且在细胞内迅速降解。生理状态下，SMN2 mRNA的第7个外显子在有些情况下并不是全部缺失，SMN2基因仍然能够产生一小部分(10-15%) 全长mRNA，这部分mRNA可编码具有正常功能的SMN蛋白。不过，仍有一部分SMN2的转录（大约10-15%左右）能够突破封锁生成完整的mRNA，进而合成有功能的蛋白。研究发现95%的SMA是由SMN1基因发生突变引起的，SMA患者体内由于SMN1基因的缺失，不能产生足够的SMN蛋白。在疾病状态下，体内SMN蛋白主要来源于SMN2基因，由于SMN2基因只有少部分可产生功能性SMN蛋白，因此SMA主要是由体内SMN蛋白的缺乏而引起。

图3. SMN1与SMA

为什么SMN2仍能产生部分功能性SMN蛋白？

按照前述机制，SMN2并非完全不能产生功能性SMN蛋白：部分转录本保留第7外显子，可形成全长产物。因此，研究重点既包括SMN1功能不足，也包括能否改善SMN2的剪接结果。文中两次出现的10%—15%是同一机制的重复说明，不应相加或视为所有条件下的固定比例。

五、SMA基因补充与剪接调控研究

根据前面所述的SMA致病机理，SMA的治疗方案有两条不同的路径。其一是直接通过载体将能够编码正常SMN1的基因导入，也就是图4左侧Zolgensma药物所采用的疗法，该方法也成为了第三个上市的AAV介导的基因治疗方案；第二种就是通过反义核苷酸促进患者身体内仍然存在的SMN2的正常表达（抑制7号外显子的剪切）来实现。

图4. SMA的基因治疗

基因补充与调节SMN2剪接有什么不同？

前者引入可表达功能性SMN蛋白的基因序列，后者利用仍存在的SMN2改变转录本剪接结果。两种思路都围绕增加功能性SMN蛋白展开，不能把“基因治疗”理解为统一的基因敲除过程。原文所述上市顺序属于历史背景，不作为当前药物数量或监管状态统计。

今年6月，全球首个SMA口服药物——利司扑兰口服溶液用散（Risdiplam Powder for Oral Solution）在获得国家药监局的优先审评资格认定后，仅用1年便在中国正式获批，让SMA的治疗进入了口服治疗的新阶段，为SMA患者带来全新的治疗选择和希望。希望在不远的将来，基因治疗能为SMA患者带来福音，彻底治愈该疾病。

时间与证据范围：上段“今年6月”对应利司扑兰于2021年6月在中国获批的历史事件。[5] 原文“彻底治愈”表达的是未来愿景，不是已经证实的普遍治疗结局。本文不据历史事件外推当前适应症或个体疗效。

六、敲除细胞基因与SMN1功能研究的关系

“敲除细胞基因”通常指在实验细胞中使目标基因失活，用于研究基因功能及相关表型；疾病中的SMN1致病变异则属于疾病遗传背景。两者可以围绕功能缺失提出研究问题，但不能直接画等号。

开展体外基因功能研究，可先了解基因敲除细胞系及KO细胞的研究应用。本篇没有提供SMN1敲除细胞的构建、表型或验证数据，因此不据此推定特定模型已被验证。若进一步研究SMA整体表型，可结合神经及肌肉模型评估不同层面的研究需求。

研究资源与业务入口

围绕原文涉及的研究路径，可分别了解基因治疗CRO服务、腺相关病毒包装服务及神经及肌肉模型。服务入口用于进一步沟通研究方案，不表示科研载体可直接用于临床治疗。更多资料可访问技术指南中心。

参考文献

1. Howell MD, Singh NN, Singh RN. Advances in therapeutic development for spinal muscular atrophy. Future Med Chem. 2014 Jun;6(9):1081-99. doi: 10.4155/fmc.14.63. PMID: 25068989; PMCID: PMC4356243.

2. Kolb SJ, Kissel JT. Spinal muscular atrophy: a timely review. Arch Neurol. 2011 Aug;68(8):979-84. doi: 10.1001/archneurol.2011.74. Epub 2011 Apr 11. PMID: 21482919; PMCID: PMC3860273.

3. Chiu W, Hsun Y-H, Chang K-J, Yarmishyn AA, Hsiao Y-J, Chien Y, et al. Current Genetic Survey and Potential Gene-Targeting Therapeutics for Neuromuscular Diseases. IJMS. 2020 Dec 16;21(24):9589.

4. Prior TW, Leach ME, Finanger E. Spinal Muscular Atrophy. GeneReviews®. NCBI Bookshelf, NBK1352.

5. 国家药品监督管理局批准利司扑兰口服溶液用散上市. 西藏自治区药品监督管理局转载国家药监局信息，2021年6月25日。

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FAQ：SMN1、SMN2与细胞基因敲除