Smpd3-flox 基因敲除小鼠

Smpd3，即Sphingomyelin phosphodiesterase 3（鞘磷脂磷酸二酯酶3），是一种在哺乳动物细胞中广泛表达的酶，主要在Golgi体中发挥作用，负责将鞘磷脂水解成神经酰胺和磷酸胆碱。神经酰胺是一种重要的生物活性脂质，参与细胞信号传导、细胞凋亡、炎症反应等多种生理和病理过程。Smpd3的活性受到多种因素的调控，如细胞内钙离子浓度、pH值、氧化还原状态等。Smpd3的表达异常与多种疾病的发生发展密切相关，包括动脉粥样硬化、肌肉萎缩症、骨发育不良、癌症等。

研究表明，肠道法尼醇X受体（FXR）信号通路在肥胖、脂肪肝、2型糖尿病等疾病的发生发展中发挥重要作用。肠道FXR缺陷或抑制可以减少动脉粥样硬化斑块的形成，降低循环中的神经酰胺和胆固醇水平。Smpd3是FXR的靶基因之一，参与肠道神经酰胺的合成。Smpd3过表达或C16:0神经酰胺补充可以消除肠道FXR缺陷对动脉粥样硬化的改善作用。GUDCA或GW4869（SMPD3抑制剂）可以降低循环中的神经酰胺水平，对动脉粥样硬化具有治疗作用[1]。

Duchenne肌肉萎缩症（DMD）是一种由dystrophin基因突变引起的进行性、退行性肌肉疾病，伴有认知功能障碍。DMD的特征是肌肉中过多的炎症反应和反复的退化和再生周期。中性鞘磷脂酶2/鞘磷脂磷酸二酯酶3（nSMase2/Smpd3）在脂筏中水解鞘磷脂，以Ca2+依赖性方式调节炎症反应、细胞存活或凋亡途径以及细胞外囊泡的分泌。nSMase2/Smpd3基因敲除的mdx小鼠表现出肌肉退化和炎症反应减少，但后期表现出加剧的肌肉坏死。此外，mdx小鼠的异常应激反应在nSMase2/Smpd3基因敲除小鼠中得到改善，海马中脑源性神经营养因子（Bdnf）表达得到恢复。nSMase2/Smpd3调节的脂筏完整性是DMD的潜在治疗靶点[2]。

肥胖症是一种慢性多因素心血管疾病。西方饮食已被报道通过调节脂肪功能影响动脉粥样硬化。在高胆固醇饮食喂养的ApoE -/-小鼠中，脂肪细胞HIF-1α缺乏或通过选择性药理学HIF-1α抑制剂PX-478直接抑制HIF-1α可以减轻高胆固醇饮食诱导的动脉粥样硬化，通过减少脂肪细胞神经酰胺的生成，降低胆固醇水平，减少炎症反应，从而改善血脂异常和动脉粥样形成。Smpd3，编码中性鞘磷脂酶的基因，被鉴定为HIF-1α直接调节的新靶基因，参与神经酰胺的生成。在脂肪细胞HIF-1α缺乏的小鼠中注射lentivirus-SMPD3到附睾脂肪组织中，逆转了脂肪细胞中神经酰胺的减少，并消除了对动脉粥样硬化的改善作用。因此，HIF-1α抑制可能构成减缓动脉粥样硬化进展的一种新方法[3]。

SMPD3-ALK是一种新型的ALK融合基因，在肺腺癌中发现。ALK融合基因在多种癌症中发挥重要作用，如非小细胞肺癌、间变性大细胞淋巴瘤等。SMPD3-ALK融合基因可能通过改变ALK蛋白的表达和功能，影响细胞生长、分化和凋亡等过程，从而促进肿瘤的发生和发展[4]。

自噬传统上被视为一种自消化途径，但也促进细胞分泌；然而，这些过程的机制尚不清楚。研究表明，自噬机制中的成分在细胞外囊泡（EVs）中指定分泌。使用基于邻近依赖性生物素化蛋白质组学策略，鉴定了200个LC3依赖性分泌的假设靶点。该分泌组由高度互联的网络组成，富含RNA结合蛋白（RBPs）和EV货物。EVs的蛋白质组和RNA分析鉴定了多种RBPs和小非编码RNA，需要LC3偶联机制进行包装和分泌。专注于两个RBPs，异核核糖核蛋白K（HNRNPK）和支架附着因子B（SAFB），发现这些蛋白与LC3相互作用，并在富含脂化的LC3的EVs中分泌。此外，它们的分泌需要LC3偶联机制、中性鞘磷脂酶2（nSMase2）和LC3依赖性招募与nSMase2活性相关的因子（FAN）。因此，LC3偶联途径控制EV货物装载和分泌[5]。

Sphingomyelin phosphodiesterase 3（SMPD3），一种在骨骼和软骨中发现的脂质代谢酶，已被确定为骨骼发育的关键调节因子。Smpd3基因的纯合子功能缺失突变称为fragilitas ossium（fro）导致骨骼和软骨的矿物质化不良，从而导致严重的先天性骨骼畸形。研究表明，Smpd3在ATDC5软骨形成细胞中的表达受到甲状旁腺激素相关肽的转录因子SOX9的调控。此外，研究表明，在fro/fro小鼠的软骨细胞中过表达Smpd3可以纠正软骨异常，但不能纠正骨骼异常。此外，报告了生成Smpd3(flox/flox)小鼠，以使用Cre-loxP系统对Smpd3进行组织特异性失活。发现Smpd3(flox/flox); Osx-Cre小鼠的骨骼表型，其中Smpd3基因在晚期软骨细胞和成骨细胞中被消除，与fro/fro小鼠的骨骼表型非常相似。另一方面，Smpd3(flox/flox); Col2a1-Cre小鼠，其中Smpd3基因仅在软骨细胞中被敲除，复制了fro/fro小鼠的软骨表型。这项工作证明了Smpd3在软骨细胞和成骨细胞中的表达对于正常的软骨内骨发育是必需的[6]。

Sphingomyelin phosphodiesterase 3（SMPD3）是一种多效性脂质代谢酶，参与多种生理过程。小鼠Smpd3基因的缺失突变称为fragilitas ossium（fro）导致发育中的fro/fro胚胎出现严重的骨骼异常。虽然fro/fro小鼠可以用于研究SMPD3功能的许多不同方面，但它们的围产期致死性使得难以生成足够数量的小鼠进行控制研究。实际上，在C57BL/6遗传背景下，没有fro/fro小鼠能够在围产期存活。在这项研究中，使用“Tet-On”诱导基因表达系统在fro/fro;ROSA-rtTA;TRE-Smpd3胚胎中短暂表达Smpd3，这些胚胎在C57BL/6背景下。这种诱导的Smpd3表达纠正了这些胚胎中的所有骨骼异常并阻止了它们的早期死亡。然而，在青少年fro/fro;ROSA-rtTA;TRE-Smpd3小鼠中诱导Smpd3表达不足以纠正骨小梁骨矿物质化缺陷和长骨生长受损。这种新型小鼠模型将成为研究SMPD3生物学在体内的有用工具[7]。

神经酰胺是一种由鞘磷脂水解产生的脂质第二信使，参与多种细胞反应，包括生长抑制、分化和凋亡。中性鞘磷脂酶（nSMase）基因Smpd3，神经酰胺生物合成的主要调节因子，的缺陷会导致骨骼发育缺陷。神经酰胺水平的调节已被认为与巨噬细胞分化有关，但该途径尚未直接与人类癌症有关。在基因组筛查中，研究人员在一种小鼠骨肉瘤模型中鉴定了一个体细胞纯合性缺失，特异性靶向Smpd3。在缺乏内源性基因的小鼠肿瘤细胞中重建SMPD3表达增强了肿瘤坏死因子（TNF）诱导的细胞活力降低。在大量人类癌症中，对高度保守的SMPD3基因的核苷酸序列分析揭示了92例急性髓系白血病（AMLs）中的5例（5%）和131例急性淋巴细胞白血病（ALLs）中的8例（6%）存在突变，但在其他肿瘤类型中未发现。在这些突变中的一部分，功能分析表明蛋白质稳定性和定位存在缺陷。综上所述，这些观察结果表明，破坏神经酰胺途径可能有助于某些人类白血病的发生[8]。

Sphingomyelin phosphodiesterase 3（SMPD3），一种存在于骨骼和软骨中的脂质代谢酶，在发育骨骼中发挥着重要作用。先前的研究表明，SMPD3缺乏导致可诱导敲除小鼠模型中Smpd3flox/flox; Osx-Cre小鼠在早期骨骼发生过程中Osx表达的软骨细胞和成骨细胞中，细胞外基质（ECM）矿物质化延迟和严重的骨骼畸形。然而，在当前研究中，发现出生后在3个月大的Smpd3flox/flox; Osx-Cre小鼠中消除Smpd3仅导致轻微的骨矿物质化缺陷。有趣的是，尽管如此，在3个月大的Smpd3flox/flox; Osx-Cre小鼠的骨折胫骨中，未矿物质化的骨样组织显著增加。正如在胚胎骨骼中观察到的那样，还观察到Smpd3flox/flox; Osx-Cre小鼠在骨折部位的软骨细胞凋亡受损。进一步研究了Smpd3表达在ATDC5软骨形成细胞中如何被两个主要软骨形成调节因子，骨形态发生蛋白2（BMP-2）和PTHrP调控。数据表明，BMP-2通过p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）正调节Smpd3的表达。总的来说，这些发现表明，SMPD3在骨折愈合期间的ECM矿物质化和软骨细胞凋亡中发挥着重要作用。此外，基因表达分析表明，BMP-2和PTHrP对软骨细胞中Smpd3表达的调节具有相反的作用[9]。

SMPD3缺乏在nSMase2-/-小鼠中导致了一种新型青少年侏儒症，表明smpd3是身体高度的多基因决定因素。SMPD3控制高尔基体中鞘磷脂循环的稳态，这是膜重塑、启动多种囊泡形成和在高尔基分泌途径中的转运所必需的。使用无偏见的Smpd3-/-遗传模型，该研究显示，软骨生长板软骨细胞的受损高尔基分泌途径导致软骨细胞中的蛋白质稳态失衡、骨骼生长抑制、畸形和软骨发育不良，但在初级和次级软骨内成骨中心表现出未受损的矿物质化。这通过Smpd3-/-小鼠长骨的生化分析和免疫组化得到阐述。骨的微观结构和三维结构的更精确定义通过外周定量计算机断层扫描、高分辨率微计算机断层扫描以及不太精确的骨密度测定法得到展示。在fro/fro突变体中，在8号染色体上作为980-kb缺失的一部分消除Smpd3位点，导致了骨骼矿物质化不良、骨质疏松和长骨的多处骨折，这些是骨质疏松症的特征。这里描述的遗传无偏见的Smpd3-/-小鼠的表型排除了Smpd3作为人类骨质疏松症的候选基因的假设，但表明SMPD3缺乏是新型软骨发育不良的致病基础[10]。

综上所述，Smpd3是一种重要的脂质代谢酶，参与多种生理和病理过程。Smpd3的表达异常与动脉粥样硬化、肌肉萎缩症、骨发育不良、癌症等疾病的发生发展密切相关。Smpd3可能是这些疾病的治疗靶点之一。