常染色体隐性遗传性痉挛性共济失调CharlevoiX-Saguenay型(autosomal recessive spastic ataxia of CharlevoiX-Saguenay, ARSACS)是由于SACS基因突变致其编码的sacsin蛋白功能缺失引起的一种早发性神经变性疾病。1978年，Bouchard等^[1]最早发现并报道。由于下一代测序技术的发展，已有200多种SACS基因突变类型被报道，ARSACS成为世界上第二常见的常染色体隐性遗传性共济失调^{[2, 3]}。

加拿大魁北克省CharlevoiX-Saguenay地区的患者常具有典型的临床三联征即进行性小脑共济失调、双下肢痉挛和周围神经病^[1]。临床查体发现患者具有痉挛性共济失调步态、四肢远端肌肉萎缩、巴宾斯征阳性、踝反射减弱或消失^[4]。磁共振成像显示小脑蚓部前小叶、颈段脊髓、小脑皮质和胼胝体萎缩，脑桥出现双侧对称的条纹状低信号，眼底视网膜神经纤维层增厚等特征性变化^{[3, 5]}。神经电生理检查表现为退行性轴突脱髓鞘周围神经病变。

ARSACS具有明显的临床异质性，可能原因是SACS基因不同的突变位点和类型造成的。非魁北克地区报道的ARSCS常具有起病年龄延迟、无明显的双下肢痉挛、视网膜髓鞘增生、认知智力障碍、精神行为异常及癫痫等临床特点^{[3, 6, 7]}。目前治疗以对症支持治疗为主，尚无有效的靶向药。探索发病机制可以寻找新的治疗靶标，故本文就有关ARSACS的发病机制相关研究进展进行综述。

1 发病机制 1.1 SACS基因

ARSACS是一种由SACS基因突变导致的常染色体隐性遗传病。Engert等通过基因表达序列标签(expressed sequence tag, EST)技术进行SACS基因克隆，发现很多EST克隆的片段来于一个大于8 kb的单个大的开放阅读框(open reading frame, ORF)。结合分子测序技术，确定了这个ORF是一个横跨12.8 kb且编码了3 892个氨基酸的巨大外显子^[8-10]。随后在这个巨大外显子的上游发现了8个新的外显子，编码SACS基因的外显子的总数达到了9个^[11]。SACS基因定位于染色体13q12.12区^{[8, 9]}。ARSACS患者目前发现基因突变类型有移码突变、无义突变、错义突变等，纯合或复合杂合突变时可致病^{[8, 12]}。在敲除SACS基因建立的Sacs^-/-小鼠模型中，Sacs^-/-小鼠出现步态异常、进行性共济失调、小脑萎缩、浦肯野细胞丢失等表型，和临床患者的表型相似^[13]。

1.2 Sacsin蛋白结构

Sacsin蛋白是一个由4 579个氨基酸组成，分子量为520 kDa的多结构域细胞质蛋白^[14]。Sacsin蛋白是一种多功能蛋白，具有蛋白伴侣作用^[15]、泛素-蛋白酶体作用^[16]、线粒体相互作用^[17]。在N端，泛素样结构(ubiquitin-like, UBL)可以与26S蛋白酶体相互作用并介导蛋白质降解^[16]。Sacsin内部有三个大的内部重复结构结构域(sacsin internal repeats, SIRPT)，每个重复区域被子重复Sr1、Sr2、Sr3和SrX分隔开，第二次重复不包括SrX，使SIRPT2小于SIRPT1和SIRPT3^[18]。在C端有DanJ结构域和HEPN(higher eukaryotes and prokaryotes nucleotide-binding, HEPN)结构域^{[13, 16]}。见图 1。

Sacsin蛋白在大脑皮质细胞、小脑颗粒细胞层和海马细胞等多种类型细胞均有表达，在成纤维细胞、骨骼肌细胞和浦肯野细胞中高表达，在胰腺组织中低水平表达。SH-SY5YS神经母细胞瘤细胞中Sacsin蛋白的亚细胞定位于细胞质^{[8, 16, 17]}。Sacsin蛋白的反应底物是神经变性疾病Angelman综合征的基因产物E3泛素连接酶Ube3A^[19]。我们对sacsin蛋白的结构了解只接近25%，下一步需要研究sacsin的多个结构域的相互作用，探究sacsin蛋白未知的功能，对ARSACS的发病机制可能会有新的突破^[13]。

1.3 分子伴侣系统

Sacsin蛋白纯化的片段中，UBL、SIRPT1、SIRT2的连接处具有ATP酶和分子伴侣活性^[20]。在每一个SIRPT结构域中，Sr1域具有ATP酶活性，Sr1的前半部分具有Hsp90的核苷酸结合域(nucleotide-binding domain, NBD)的序列同源性，Hsp90参与ATP结合和水解的残基都保存在Sr1区域^[18]。目前已知的sacsin蛋白的结构域中，Sr1结构域出现错义突变的位点最多，如D168Y^[21]、T201K^[2]、R272H^[18]、L308F^[22]，这突出了Sr1结构的重要性^[18]。DanJ结构域功能类似于细菌体分子伴侣Hsp40，在细胞合成期间和应激期间保护蛋白质避免不可逆聚集。DanJ结构域可以与Hsp70识别连接，而Hsp70可以通过突变蛋白引起细胞反应，调节其他共济失调蛋白的活性，是神经退行性变性疾病的重要组成部分^[16]。HEPN的高分辨率晶体结构显示，HEPN可以与GTP结合，介导Sacsin蛋白形成一个稳定的二聚体^[23]。HEPN结构域也可以通过静电与磷酸基相互作用介导与核苷酸结合，与核苷酸和核苷酸类似物具有高亲和性，并且更倾向于与磷酸化的核苷酸结合^[24]。研究表明，分子伴侣对ataxin-1的聚谷氨酰胺的毒性有保护作用。当使用siRNA沉默表达Sacsin蛋白时，脊髓小脑的ataxin-1型的ataxin-1^[Q82]突变蛋白毒性增强，而含有正常数量的谷氨酰胺残留物的ataxin-1^[Q30]蛋白则没有毒性^[16]。热休克蛋白表达增加可以减少神经中间纤维聚集成束，表明内源性分子伴侣系统可以在一定程度上弥补Sacsin功能的缺失^[25]。

1.4 泛素-蛋白酶体系统

ARSACS的发病机制可能涉及多个通路，且每个通路可能有交叉重叠的部分。例如，SACS基因编码的sacsin蛋白，可以通过分子伴侣的相互作用共同影响正常蛋白质的稳态^[16]，其中UBL结构域可以与26S蛋白酶体相互作用并介导蛋白质降解^[16]。在泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system, UPS)系统中，许多蛋白质与共济失调有关，如ataxin-3，具有与泛素反应的模体结构，并发挥去泛素化酶的作用^[26]。分子伴侣HSP70可以通过与UPS的共同作用，调节ataxin-1蛋白的降解程度，其作用机制辅助伴侣蛋白(C-terminus of Hsc70-interacting protein, CHIP)可以调节HSP70分子伴侣活性并作为泛素连接酶，帮助HSP70定位于UPS^[27]。

1.5 自噬溶酶体通路

在ARSACS患者的成纤维细胞中，泛素化蛋白和自噬溶酶体通路(autophagy-lysosome pathway)蛋白的Lamp2和p62定位在波形蛋白堆积的区域。泛素化蛋白的含量总体上没有增加，表明UPS没有受损。自噬溶酶体通路蛋白中p62的水平降低，Lamp2水平升高；在饥饿的条件下，ARSACS患者的成纤维细胞中的自噬通量增加。表明自噬溶酶体通路发生了改变^[15]。在ARSACS患者的成纤维细胞中，部分细胞在微管组织中心(microtubule organizing centre, MTOC)出现中间丝聚集成束并折叠成笼状结构。当溶酶体自噬清除机制受损时，错误折叠的蛋白会避开自噬溶酶体的清除机制逆行运输到MTOC积累形成聚集体^[25]。同时，Sacsin蛋白功能的缺失会影响中间丝的组织结构，进而影响其他细胞器在细胞中的空间分布，导致蛋白质系统稳态受损，影响自噬的正常功能^[15]。

1.6 线粒体的改变

Sacsin蛋白功能的缺失影响线粒体的正常生理功能^{[17, 28]}，在氧化磷酸化和氧化应激功能受损的共同作用下改变线粒体的形态、动力学和分布^{[17, 29, 30]}。在敲低sacsin蛋白的KO小鼠模型中，缺乏sacsin蛋白的神经元中出现非磷酸化的神经丝(non-phosphorylated neurofilament, npNFH)异常聚集成束，可能会破坏线粒体的正常转运^[28]。ARSACS患者的成纤维细胞中和KO小鼠培养的神经元中，均发现线粒体膜电位降低、线粒体体积变大、线粒体定位异常等现象^[17]。Sacs^-/-小鼠模型中，发现线粒体活力显著降低，表明神经元细胞骨架的改变和线粒体动力学缺陷是ARSACS的病理基础^[28]。Sacsin结构功能异常会引起线粒体融合分裂异常，导致线粒体数量减少、形态异常和功能受损^[31]。在免疫共沉淀实验中，发现Sacsin蛋白与裂变因子动态相关蛋白1(dynamin-related protein 1, Drp1)具有相互作用，Drp1是线粒体正常分裂所必需的小GTP酶，它可以被招募到分裂点用来调节分裂^[17]。神经元中sacsin水平降低，会使线粒体膜中招募或保留Drp1的能力受到损害，造成线粒体功能受损^[29]。线粒体功能障碍可以导致视网膜节细胞轴质运输功能受损，神经纤维密度增加，患者眼底会出现特征性病理改变如视网膜神经纤维层增厚、神经纤维围绕视盘呈放射状排列、视盘边界不清等^{[32, 33]}。可以通过线粒体网络结构异常作为一种特征性生物标记物用于诊断，为ARSACS提出新的诊断标准，提高诊断的准确性^[34]。

1.7 细胞骨架的改变

当sacsin发生功能缺陷时，神经元的神经丝出现网络结构异常，在核周和树突区出现神经丝的累积和捆绑成束，形成笼状外观，导致线粒体和其他细胞器被推挤到波形蛋白堆积的边缘区^[15]。Sacs^-/-小鼠出生第14天时，在脊髓运动神经元和背根神经节的树突区域，发现神经丝的异常聚集成非磷酸化的神经丝束，神经丝被证实含有低磷酸化的神经丝重链蛋白。在ARSACS患者的神经元中可以观察到类似的神经丝聚集成束的异常累积的现象^[28]。Sacsin蛋白功能的缺失引起细胞骨架和线粒体形态、功能和分布异常。细胞骨架的形态异常则进一步影响线粒体的动力学功能。

1.8 浦肯野细胞的缺失

浦肯野细胞是小脑皮质微电路的主要输出神经元，是小脑功能的关键，Sacs^-/-小鼠发病时出现浦肯野细胞的突触兴奋性和放电频率降低。Sacs^-/-小鼠在出生后20天时，就可以观察轻度的放电缺陷，但是无相应的共济失调表现。这表明只有当小脑电生理功能障碍到达一定的临界水平时，才会出现小脑相关的运动协调障碍。在Sacs^-/-小鼠出生后40天时，小脑深部核的浦肯野细胞斑点数目减少^[36]。ARSACS患者脑成像和尸检结果都证实患者小脑蚓部萎缩，伴有浦肯野细胞丢失^[37]。在Sacs^-/-小鼠模型中，在小脑前小叶可以观察到放电的变化，而后期这些小叶的浦肯野细胞出现丢失死亡，但是在小脑后小叶中观察不到这种现象。可以推测，在小脑的电回路中，浦肯野细胞的突触兴奋性输入和输出的改变与小脑前小叶和小叶的结构差异也有一定的关系^[36]。小脑皮质中的浦肯野细胞可以根据是否表达Zebrin(Ⅱ)蛋白区分成Zebrin(Ⅱ)阳性细胞(Z⁺)和Zebrin(Ⅱ)阴性细胞(Z^-)。在小脑前叶(I-V), Zebrin(Ⅱ)阴性浦肯野细胞居多，而Zebrin(Ⅱ)阳性浦肯野细胞则在小脑后叶(Ⅸ-Ⅹ)居多，这种分布模式决定了浦肯野细胞的兴奋性^[38]。

2 结语及展望

ARSACS从发现至今已过去40年了，从最开始的病例报道、临床表现的研究，到小鼠建模成功以及发病分子机制的探索。目前发病机制尚未明确，临床上尚无有效的靶向治疗。但是我们期待着，随着研究的深入，会寻找到新的治疗靶点，可以为ARSACS患者提供治疗的契机，也能为其他遗传病提供新的思路。