杜氏肌营养不良症
（Duchenne muscular dystrophy,
DMD
）
是一种X染色体连锁隐性遗传病，主要表现为进行性骨骼肌退行性病变。DMD的发病机制源于编码抗肌萎缩蛋白
（dystrophin）
的DMD基因突变，该基因位于染色体Xp21.2上，包含79个外显子和78个内含子。当
DMD
发生突变时，抗肌萎缩蛋白的产生受阻，导致肌肉细胞膜脆弱易损，最终引发肌肉萎缩和功能丧失
【1】
。
研究表明，在DMD患者和mdx小鼠模型中，
肌营养蛋白
（utrophin，
UTRN
）
的表达在骨骼肌肌膜中显著上调。UTRN是抗肌萎缩蛋白的同源物，由
UTRN
编码。UTRN的表达上调被视为机体对抗肌萎缩蛋白缺失的一种补偿机制
【2】
。有趣的是，
UTRN的上调与DMD的突变类型密切相关
。研究发现，携带导致提前终止密码子
（PTC）
的移码或无义突变的患者及mdx小鼠，其骨骼肌膜中UTRN会明显上调，而框内缺失的患者则未表现出这种现象
【3】
。
临床研究显示，
UTRN表达水平与DMD病程严重程度呈负相关
，即UTRN表达越高，病程越轻，因而上调UTRN被认为是一种部分抵消抗肌萎缩蛋白缺失的潜在治疗策略
【4】
。目前的主流观点是，UTRN上调是由于抗肌萎缩蛋白的缺失所致，但具体的信号通路和调控机制仍有待深入研究。
近日，马克斯-普朗克心脏和肺部研究所
Didier Y. R. Stainier
实验室等在
Nature
杂志发表了题为
Transcriptional adaptation upregulates utrophin in Duchenne muscular dystrophy
的研究文章，揭示了
DMD
突变mRNA的降解通过
转录适应性
（transcriptional adaptation,
TA
）
机制驱动了UTRN的上调，从而补偿了缺陷基因的功能。此外，
剪接转换反义寡核苷酸
（splice-switching ASO）
和自切割核酶可通过诱导TA实现基因补偿，为DMD治疗提供了新策略。
DMD
外显子37
（E37）
突变与部分DMD患者较轻的临床症状相关，且生物信息学分析预测E37容易发生外显子跳跃
【4】
。研究首先以
DMD
外显子37
（E37）
的剪接调控为切入点，探讨了DMD移码和无义突变对UTRN表达的影响。结果表明，通过喜树碱
（CPT）
处理抑制转录延伸会导致E37跳跃，而通过曲古抑菌素A
（TSA）
处理增强转录延伸则促进E37保留
（inclusion）
，即
转录速率会显著影响E37的剪接模式
。
通过CRISPR-Cas9技术构建的DMD^PTC/+细胞中，
PTC突变能够显著促进E37的跳跃，并避免NMD
（nonsense-mediated mRNA decay）
对DMD的降解
。进一步分析表明，缺失的20个碱基区域包含多个剪接增强子，这些增强子的缺失导致了E37跳跃的增强。
DMD^PTC/+细胞所携带的PTC突变导致
DMD
的mRNA水平下降，并诱导了UTRN mRNA和蛋白表达显著上调
。因此，
DMD
突变mRNA降解通过RNA介导的反馈调节机制激活了
UTRN
的表达
。
TSA处理可诱导
DMD
mRNA降解并促进UTRN上调，其作用呈时间和剂量依赖性。去除TSA后，
DMD
E37的剪接以及
DMD
和
UTRN
的mRNA水平都可以恢复。阻断NMD可以使DMD突变mRNA水平上升，并抑制UTRN上调，这进一步证实了
DMD
突变mRNA的降解在UTRN表达调控中起着关键作用
。
此外，通过DMD过表达实验，作者发现
DMD^PTC/+细胞中UTRN的上调是由
DMD
突变mRNA的降解引发的转录适应（TA）机制，而非dystrophin蛋白缺失引起
。RNA-seq分析进一步揭示，DMD患者iPS细胞分化的肌管中，修复
DMD
突变可逆转UTRN上调，验证了TA的存在。不仅如此，作者还发现多种与肌肉功能、膜修复和代谢调控相关的基因
（如ANO5、ACTA1、SERAC1、LIN28B和PPP1R14C）
在
DMD
突变背景下通过TA机制上调，提示这些基因可能在dystrophin缺失时发挥代偿作用。
接下来，作者通过构建含不同外显子及内含子的
DMD
微基因
(minigene)
，并在其中引入无义突变，进一步证实了
DMD
突变mRNA的降解可诱导UTRN上调。这一过程在多种细胞系中得到了验证，且UTRN上调的程度也依赖于PTC的具体位置。此外，通过引入自切割核酶实现
DMD
RNA的降解，同样证明了
在不影响dystrophin蛋白水平的情况下，DMD mRNA的降解依然能够触发UTRN的上调
。因此，
DMD
微基因模型及核酶介导的降解实验共同证实了TA机制在DMD病理和UTRN调控中的核心作用
。
在临床背景下，作者检测了4名DMD患者肌管细胞中
DMD
和
UTRN
基因的mRNA水平，发现患者
DMD
mRNA水平降低和
UTRN
mRNA水平上升，并确认了
UTRN
的上调源于转录水平的增强，这进一步证明了
DMD突变体mRNA降解引发UTRN转录上调的机制在DMD患者中同样存在
。
接下来，作者通过设计了一种类似于Eteplirsen的剪接转换反义寡核苷酸
（splice-switching ASO）
，以促进DMDΔE52肌管细胞中
DMD
外显子51的跳跃。作者发现这种ASO不仅提高了DMD突变型肌管细胞中的
DMD
mRNA水平，还降低了UTRN的上调程度。随后，作者通过
自切割核酶技术
进一步提高了DMDΔE52及其他DMD患者肌管细胞中的
UTRN
mRNA水平。作者进一步通过外显子跳跃的策略在WT肌管细胞中诱导
DMD
基因的移码突变，成功触发了
DMD
突变mRNA的降解及UTRN的上调，证明了转录适应性
（TA）
是导致UTRN上调的主要机制。此外，作者还在C2C12小鼠骨骼肌细胞中证实了类似的结果，表明
转录适应性机制在人类和小鼠中的
DMD
突变中均能引发UTRN的上调
。
综上所述，本研究
揭示了
转录适应性（TA）在DMD患者UTRN上调中的关键作用，并通过开发
DMD
mRNA降解系统，发现PTC诱导的
DMD
mRNA降解触发了UTRN上调。此外，反义寡核苷酸（ASO）和自切割核酶技术的应用展示了诱导基因补偿的潜力，为未来DMD的治疗提供了新的思路
。
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08539-x
制版人：十一
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