Nature：西湖大學(xué)吳建平/閆湞團(tuán)隊(duì)揭示肌營養(yǎng)不良癥的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

       肌營養(yǎng)不良癥（Muscular Dystrophy）是一類由遺傳因素引起的疾病，表現(xiàn)為進(jìn)行性肌無力和退化。肌營養(yǎng)不良癥有多種亞型，其中杜氏肌營養(yǎng)不良癥（Duchenne Muscular Dystrophy，DMD）是最常見且最嚴(yán)重的亞型，也是常見的遺傳性神經(jīng)肌肉病（圖1）。DMD通常由肌營養(yǎng)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歲便開始出現(xiàn)步態(tài)異常，隨著年齡增長，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尚無高效精準(zhǔn)的治愈方法。

圖1. 杜氏肌營養(yǎng)不良臨床表現(xiàn)——肌無力和退化

       Dystrophin在體內(nèi)與多個(gè)相互作用蛋白形成肌營養(yǎng)不良蛋白糖蛋白復(fù)合體（Dystrophin Glycoprotein Complex，簡稱DGC），主要分布在肌肉組織和神經(jīng)系統(tǒng)，在維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和完整性、參與信號傳導(dǎo)、提供機(jī)械支持和防止細(xì)胞損傷等過程中發(fā)揮重要作用。DGC在細(xì)胞外側(cè)與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用，在細(xì)胞內(nèi)側(cè)通過dystrophin與細(xì)胞骨架連接，起到連接細(xì)胞內(nèi)外的橋梁和紐帶的作用。這一特點(diǎn)使得DGC在肌肉收縮過程中能夠有效地傳遞和耗散機(jī)械力，進(jìn)而幫助保護(hù)和維持肌肉細(xì)胞膜的完整性和穩(wěn)定性。除了dystrophin突變導(dǎo)致的DMD之外，DGC其他組分的突變還會引起多種肌營養(yǎng)不良癥，包括貝氏肌營養(yǎng)不良癥（BMD）、肢帶型肌營養(yǎng)不良癥（LGMD）、先天性肌營養(yǎng)不良癥（CMD）等。因此，針對DGC的研究對于深入理解肌營養(yǎng)不良癥的發(fā)病機(jī)制和開發(fā)相應(yīng)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合閆湞團(tuán)隊(duì)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(bào)道了肌營養(yǎng)不良癥的核心關(guān)聯(lián)蛋白——肌營養(yǎng)不良蛋白糖蛋白復(fù)合體（Dystrophin Glycoprotein Complex，簡稱DGC）的高分辨結(jié)構(gòu)，為這一重要復(fù)合體的組裝、機(jī)械傳導(dǎo)功能以及與肌營養(yǎng)不良癥相關(guān)突變的發(fā)病機(jī)制提供了全新見解。

       關(guān)于DGC的基礎(chǔ)研究以及肌營養(yǎng)不良癥的臨床研究已經(jīng)積累了三十多年。盡管如此，DGC復(fù)合體的結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展緩慢，僅有個(gè)別組分的亞基結(jié)構(gòu)被報(bào)道，而完整復(fù)合體的全貌一直未知，嚴(yán)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(jié)構(gòu)的研究一直是科學(xué)家們長期追求的目標(biāo)。

       在最新的這項(xiàng)研究中，吳建平團(tuán)隊(duì)和閆湞團(tuán)隊(duì)從小鼠骨骼肌組織中分離出了天然內(nèi)源性DGC復(fù)合體，并成功解析了其高分辨率結(jié)構(gòu)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

       這項(xiàng)研究首次呈現(xiàn)了DGC的高分辨率結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)還鑒定了多個(gè)糖基化修飾（圖2綠色部分）及參與介導(dǎo)蛋白相互作用的脂類分子（圖2紅色部分）。DGC整體呈現(xiàn)瘦長的結(jié)構(gòu)特征，具有較大的胞外結(jié)構(gòu)域。其中，β-、γ-和δ- sarcoglycans（圖2藍(lán)色、黃色、青色部分）三個(gè)組分通過β-strand共折疊的方式形成獨(dú)特的β-螺旋塔狀結(jié)構(gòu)（ECD塔）。這一塔狀結(jié)構(gòu)就像一個(gè)堅(jiān)實(shí)的承重柱牢牢地插在細(xì)胞膜上，不僅能夠穩(wěn)定DGC的胞外結(jié)構(gòu)域，而且為另外兩個(gè)關(guān)鍵蛋白組分α-dystroglycan（也稱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(jié)構(gòu)域（cysteine-rich domain）在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)附近形成廣泛相互作用，為dystrophin與細(xì)胞外的連接提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖2. 小鼠骨骼肌內(nèi)源DGC復(fù)合體高分辨結(jié)構(gòu)電子密度圖

       值得一提的是，該結(jié)構(gòu)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(rèn)為α-、β-、γ-和δ-sarcoglycans和sarcospan一起構(gòu)成了DGC中的一個(gè)外圍亞復(fù)合體。然而，結(jié)構(gòu)顯示sarcoglycans和sarcospan并沒有直接相互作用，而是分別位于β-dystroglycan（也稱β-DG，圖3左淺褐色，圖3右深褐色部分）跨膜螺旋的兩側(cè)，進(jìn)而幫助穩(wěn)定β-dystroglycan。這其中由β-、γ-和δ-sarcoglycans形成的胞外側(cè)ECD塔也是首次報(bào)道。此外，相比先前認(rèn)為dystrophin與β-dystroglycan互作的模型，結(jié)構(gòu)揭示了sarcoglycans蛋白在參與dystrophin錨定在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的過程中發(fā)揮了更為關(guān)鍵的作用。

圖3. 先前的DGC組裝（左）和基于結(jié)構(gòu)研究的DGC組裝（右）的卡通模型對比

       該結(jié)構(gòu)為過去三十年臨床研究中積累的大量與肌營養(yǎng)不良癥相關(guān)的突變機(jī)制提供了寶貴的見解（圖4）。研究團(tuán)隊(duì)揭示與肌營養(yǎng)不良癥相關(guān)的致病突變大多分布于三個(gè)區(qū)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(qū)域?qū)τ贒GC發(fā)揮正常功能的重要作用。研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)分析了臨床上引起嚴(yán)重表型的肌營養(yǎng)不良癥的突變，發(fā)現(xiàn)這些突變往往位于蛋白亞基的相互作用界面和ECD塔的內(nèi)部（圖4c、d），推測這些突變會破壞蛋白質(zhì)內(nèi)部的互作或影響蛋白穩(wěn)定性。為此，研究團(tuán)隊(duì)在體外表達(dá)了a-sarcoglycan膜外區(qū)部分，并在此基礎(chǔ)上測試突變體對蛋白表達(dá)和性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)所有測試的位于a-sarcoglycan上的單點(diǎn)致病突變均會影響蛋白的表達(dá)或穩(wěn)定性，證實(shí)上述猜測。這為理解部分肌營養(yǎng)不良癥的致病機(jī)制提供了深入見解。

圖4. 肌營養(yǎng)不良癥相關(guān)的突變位點(diǎn)分布及潛在致病機(jī)制

       此外，該工作為臨床開發(fā)肌營養(yǎng)不良癥的新型基因治療方法提供重要線索。目前針對DMD患者的治療手段非常有限，其中一個(gè)策略是通過基因治療方法來修補(bǔ)功能異常的dystrophin蛋白。但是，dystrophin編碼基因是人體最長的基因之一，包括內(nèi)含子在內(nèi)的基因總長度約有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?yán)煤喕娴膍icro-dystrophin來代替全長蛋白。然而如何選擇合適的micro-dystrophin是基因治療的關(guān)鍵問題。研究團(tuán)隊(duì)所解析的結(jié)構(gòu)顯示，在dystrophin上占全長不足1/10長度的CR區(qū)域（cysteine-rich domain，圖2橙色區(qū)域）是dystrophin參與DGC組裝最核心區(qū)域。這為設(shè)計(jì)潛在更合理有效的micro-dystrophin提供了重要參考。未來，這個(gè)結(jié)構(gòu)所提供的重要線索，或許能為肌營養(yǎng)不良癥的治療帶來新的希望。

從左至右：吳建平、閆湞、萬里

       論文鏈接：

       https://www.nature.com/articles/s41586-024-08310-2