Congenital muscular dystrophy

第一性原理计算解决50年悬而未决难题：半导体中铜为何扩散更快？ Ab initio及第一性原理入门参考书介绍 《海贼王》告诉你，做科研为什么不能闭门造车…… 来自公众号：西湖大学WestlakeUniversity 本文以传播知识为目的，如有侵权请后台联系我们，我们将在第一时间删除。 最初出现轻微运动障碍，跑步、跳跃等动作变得吃力，后期逐渐出现无法行走、肢体无法正常抬起，需要借助轮椅行动，最终可能因呼吸衰竭或心力衰竭而死亡…… 这段描述描写的是，杜氏肌营养不良症患者的一生。杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy, DMD），简称DMD，是一种严重的遗传性神经肌肉病，也是十分常见的致死性遗传病之一。 遗憾的是，这个疾病目前“无药可医”。 近日，西湖大学研究团队在该疾病的核心蛋白研究方面有了新突破。 北京时间2024年12月11日，西湖大学、西湖实验室吴建平团队联合闫浈团队在Nature在线发表题为“Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex”的论文（图1），首次“看清”了肌营养不良症的核心蛋白，揭开了肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex, DGC）的神秘面纱，展示了其独特的结构特征，填补了该领域近三十年的重要空白。这一发现为理解肌营养不良症的发病机制提供了全新的见解。 图1.　论文截图 论文链接：https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41586-024-08310-2 如果，肌营养不良蛋白出了问题…… 本次研究的其中一个主角，是一个名为Dystrophin的蛋白，全称肌营养不良蛋白。 如果你对这个蛋白不熟悉，但是从名字中也可以猜测，这个蛋白跟肌肉有着密不可分的关系。 没错，肌营养不良蛋白是一种重要的细胞骨架蛋白，主要存在于骨骼肌和心肌细胞中，对维持肌肉细胞的结构和功能起着至关重要的作用。 但仅仅靠Dystrophin一种蛋白来维持细胞结构的稳定还不够，它在体内与多个蛋白相互作用，形成DGC复合体，也就是肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex, DGC）。这个复合体主要分布在肌肉组织和神经系统。 如果说，肌肉细胞是一栋高楼大厦，那么DGC复合体既是大厦的“减震器”，也是“通讯设备”。当肌肉收缩时，会产生巨大的机械力，DGC复合体在细胞外侧与细胞外基质相互作用，在细胞内侧通过肌营养不良蛋白与细胞骨架连接，是连接细胞内外的纽带，就像一个高效的减震器，可以吸收和分散这些机械力，进而帮助保护和维持肌肉细胞膜的完整性和稳定性。同时，DGC复合体也具备信号传导的作用，影响细胞的生长、分化和存活。 如此重要的蛋白，一旦出问题了怎么办？ 肌营养不良症，就与这个蛋白复合体上的突变有关。这是一类由遗传因素引起的进行性肌肉无力和退化性疾病，主要影响骨骼肌、心肌等肌肉组织。除了最常见的杜氏肌营养不良症之外，这个蛋白复合体的组分突变还会引起其他类型的肌营养不良症，包括贝氏肌营养不良症（BMD）、肢带型肌营养不良症（LGMD）、先天性肌营养不良症（CMD）等。 图2.　杜氏肌营养不良临床表现 遗憾的是，这些因为DGC蛋白组分突变导致的肌营养不良症，目前暂时没有高效精准的根治方法。 药物研发长途漫漫，但是首先，我们需要“知己知彼”，看清这个复合体的样貌，才能了解突变的潜在致病机制，并找到进攻的精准靶点。 首次看清！DGC复合体“庐山真面目” DGC复合体在生理和病理上都非常重要，其结构研究一直是科学家们长期努力的目标。但由于DGC复合体十分复杂，其完整结构的研究进展缓慢，仅有个别组分的局部亚基结构被报道，自上世纪八十年代被发现以来，还没有人能真正看清楚它的“庐山真面目“。 来自西湖大学生命科学学院的年轻科学家们——吴建平团队和闫浈团队——成功从小鼠骨骼肌组织中分离出了天然内源性DGC复合体，并利用冷冻电镜技术解析了其高分辨率结构（分辨率3.2-3.5 Å）首次看清了这个复合体的全貌，填补了该领域近三十年的空白。 那么，这个复合体究竟长什么样？（图3）一起来看看。 图3.　骨骼肌内源DGC复合体高分辨结构电子密度图 通过复合体高分辨结构图片可以看到，DGC复合体整体呈现瘦长的样子，像一座“桥”横跨在细胞膜上，并且伸出细胞膜外部的结构域占较大比重。 不同的颜色代表了不同的组成部分，这个复合体共包含9个蛋白组分。其中，β-、γ-和δ- sarcoglycans（图3蓝色、黄色、青色部分）三个组分通过β-strand共折叠的方式形成独特的β-螺旋塔状结构，称为“ECD塔”，这个塔是首次被发现的。结构决定功能，观察这座神奇的“塔“，可以发现，它就像一个坚实的承重柱牢牢地插在细胞膜上，不仅能够稳定复合体的胞外结构域，也为另外两个关键蛋白组分提供了支撑位点，即上图卡其色部分（α-dystroglycan）和粉色部分（α-sarcoglycan），这为复合体建立细胞内外的机械传导过程提供了重要的分子基础。 在看清这个复合体的结构之后，研究团队还与此前推测的模型进行对比，发现了很多不同之处，颠覆了以往的认知。 图4.　先前猜测的DGC组装模型（左）和结构解析出的DGC组装模型（右）对比 比如，对于关键蛋白组分的排列有了全新的理解。仔细看图4，曾经，科学界普遍认为，图4左侧插在细胞膜上的紫色、粉色、蓝色、黄色、浅绿色五个部分（sarcoglycans和sarcospan），构成了DGC复合体中的一个外围亚复合体。但是，在新解析的结构中，这些组成部分并没有直接相互作用，而是分别位于右侧棕色部分（β-dystroglycan，β-DG）的两侧，就像一对脚手架，帮助稳定它。 再如，对于肌营养不养蛋白与哪些蛋白连接有了全新的认知。先前认为肌营养不良蛋白是通过连接图4左侧卡其色部分（β-dystroglycan）直接作用，但是看清结构后发现，它更主要通过组成ECD塔的sarcoglycans发生紧密相互作用（图4右侧黄色、蓝色、浅绿色），进而帮助胞内的dystrophin固定在细胞膜上发挥功能。 关于疾病，这项研究能做些什么？ 在看清结构之后，研究团队回到疾病本身，研究了与肌营养不良症相关的致病突变位点在哪里。 他们分析了过去几十年临床研究中积累的大量与肌营养不良症相关的突变位点数据，发现与肌营养不良症相关的致病突变大多分布于三个区域——ECD塔、a-sarcoglycan以及dystrophin与其他蛋白的作用界面，即图5a中圈出的淡粉色区域，这表明这些特定区域对于DGC发挥正常功能具有重要作用。 研究团队重点分析了临床上引起严重表型的肌营养不良症的突变，发现这些突变往往位于蛋白亚基的相互作用界面和ECD塔的内部（图5c，d）。基于结构分析，研究团队进行了后续生化实验，进一步证实了这些突变会破坏蛋白质内部的相互作用或影响蛋白的稳定性，进而引发疾病。这为相关肌营养不良症的致病机制提供了深入的见解。 图5. 肌营养不良症相关的突变位点分布及潜在致病机制 此外，该研究也为开发肌营养不良症的基因治疗方案提供新线索。 目前针对DMD患者的治疗手段非常有限，一种通用策略是通过基因治疗来修补功能异常的肌营养不良蛋白。但是，这个蛋白的基因是人体最长的基因之一，总长度约有2.2Mb，所编码的蛋白包含了3685个氨基酸，完整递送如此长的基因去替换致病基因十分困难。 为此，科学家尝试利用精简版的micro-dystrophin来代替全长蛋白。如何选择合适的micro-dystrophin是基因治疗的一个关键问题。研究团队所解析的结构显示，在dystrophin上占全长不足1/10长度的CR区域（cysteine-rich domain，图3橙色区域）是dystrophin参与DGC组装最核心区域。该结果为设计更加合理有效的micro-dystrophin提供了重要参考。未来，这个结构所提供的重要线索，或许能为肌营养不良症的治疗带来新的希望。 吴建平团队和闫浈团队的研究，揭开了肌营养不良症核心蛋白的神秘面纱。诚然，此刻的我们尚无法确定是否能够从中找到治愈的良药，但至少，这是充满希望的一步。 西湖实验室开拓学者万里、清华大学生命科学学院博士毕业生葛霄飞、西湖大学博士生许祺奎、西湖实验室副研究员黄高兴宇为本文共同第一作者。西湖大学特聘研究员吴建平、闫浈为本文共同通讯作者。美国爱荷华大学Kevin P. Campbell教授和杨天帝博士参与了该工作。西湖大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、质谱平台以及实验动物中心为研究提供了技术支持。该研究获得了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室的经费资助。 从左至右：吴建平、闫浈、万里 吴建平博士和闫浈博士在建立独立实验室前曾合作揭示了骨骼肌兴奋收缩偶联通路的关键分子基础（电压门控钙离子通道Cav1.1和钙离子释放通道RyR1）。本项目是两位研究员分别建立独立实验室后再次合作，利用结构生物学手段理解肌肉生理功能方面取得的又一重要突破。除此合作方向外，两个团队近年来还分别在生殖生物学和植物蛋白转运方面取得了重要进展。以下为团队简介： 吴建平团队简介： 吴建平课题组致力于生命过程中关键蛋白的结构与功能研究，特别关注受精过程的结构基础，揭示受精过程的机理，帮助理解生命诞生的基本过程，并为不孕不育症的诊断、治疗和药物开发提供新思路。（相关阅读：重大突破丨西湖大学吴建平组解密精子活化开关CatSper通道体，Cell报道｜西湖大学吴建平团队在生殖医学领域再次取得重大突破）课题组长期招聘对生物化学、结构生物学、生殖生物学、生物信息学、电生理等方向感兴趣的成员。期待与有志青年学者共同探索生命的奥秘！ 联系方式：wujianping@westlake.edu.cn。 闫浈团队简介： 闫浈课题组综合运用生物化学、基因编辑、生物信息学、单颗粒冷冻电镜技术、人工智能建模、原位冷冻电子断层扫描等多元技术手段，致力于揭示重要蛋白复合体的工作机制，特别聚焦于叶绿体的发生、发育与稳态调节。（相关阅读：Cell连续报道丨西湖大学闫浈团队揭开叶绿体转运“马达”之谜，Cell报道 |  西湖大学闫浈实验室破解叶绿体“守门人”之谜）课题组广泛招纳具有相关背景的研究系列人员、博士后、科研助理，同时接收本科或硕士起点的博士研究生，并热忱欢迎优秀的本科生加入，参与毕业设计项目。课题组将依据每位成员的专业背景和职业发展蓝图，定制个性化的培养方案，悉心培育未来的科研精英。加入我们的实验室，开启你的科学探索之旅，让我们一起创造更多可能！ 联系方式：yanzhen@westlake.edu.cn。 来源 丨 吴建平团队＆闫浈团队 摄影丨 朱丹阳 编辑 丨 张　弛 校对 丨 沈　是

编辑丨王多鱼 排版丨水成文 肌营养不良症（Muscular Dystrophy）是一类由遗传因素引起的疾病，表现为进行性肌无力和退化。肌营养不良症有多种亚型，其中杜氏肌营养不良症（Duchenne Muscular Dystrophy，DMD）是最常见且最严重的亚型，也是常见的遗传性神经肌肉病（图1）。DMD通常由肌营养不良蛋白（dystrophin）基因突变引起，该基因位于X染色体上，为X连锁隐性遗传，因此主要影响男性，女性多为携带者，发病率约为1/3500。DMD患者在出生至幼儿期发育正常，3-5岁便开始出现步态异常，随着年龄增长，肌肉逐渐萎缩，需使用轮椅代步，最终通常在20多岁时便因呼吸或心力衰竭而死亡。目前，DMD尚无高效精准的治愈方法。 图1. 杜氏肌营养不良临床表现——肌无力和退化 Dystrophin在体内与多个相互作用蛋白形成肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex，简称DGC），主要分布在肌肉组织和神经系统，在维持细胞结构和完整性、参与信号传导、提供机械支持和防止细胞损伤等过程中发挥重要作用。DGC在细胞外侧与细胞外基质相互作用，在细胞内侧通过dystrophin与细胞骨架连接，起到连接细胞内外的桥梁和纽带的作用。这一特点使得DGC在肌肉收缩过程中能够有效地传递和耗散机械力，进而帮助保护和维持肌肉细胞膜的完整性和稳定性。除了dystrophin突变导致的DMD之外，DGC其他组分的突变还会引起多种肌营养不良症，包括贝氏肌营养不良症（BMD）、肢带型肌营养不良症（LGMD）、先天性肌营养不良症（CMD）等。因此，针对DGC的研究对于深入理解肌营养不良症的发病机制和开发相应的治疗方法具有重要的意义。 2024年12月12日，西湖大学吴建平团队联合闫浈团队在 Nature 期刊发表了题为：Structure and assembly of the dystrophin glycoprotein complex 的研究论文。 该研究首次报道了肌营养不良症的核心关联蛋白——肌营养不良蛋白糖蛋白复合体（Dystrophin Glycoprotein Complex，简称DGC）的高分辨结构，为这一重要复合体的组装、机械传导功能以及与肌营养不良症相关突变的发病机制提供了全新见解。 关于DGC的基础研究以及肌营养不良症的临床研究已经积累了三十多年。尽管如此，DGC复合体的结构研究进展缓慢，仅有个别组分的亚基结构被报道，而完整复合体的全貌一直未知，严重阻碍了对DGC组装和功能的全面理解。鉴于DGC在生理和病理上的重要意义，其完整结构的研究一直是科学家们长期追求的目标。 在最新的这项研究中，吴建平团队和闫浈团队从小鼠骨骼肌组织中分离出了天然内源性DGC复合体，并成功解析了其高分辨率结构，填补了该领域的空白。 这项研究首次呈现了DGC的高分辨率结构（分辨率3.2-3.5 Å），揭示了总共9个蛋白组分，包括四个sarcoglycan（α-、β-、γ-和δ-），dystrophin，dystrobrevin，sarcospan，和两个dystroglycan（α-、β-）（图2）。此外，结构还鉴定了多个糖基化修饰（图2绿色部分）及参与介导蛋白相互作用的脂类分子（图2红色部分）。DGC整体呈现瘦长的结构特征，具有较大的胞外结构域。其中，β-、γ-和δ- sarcoglycans（图2蓝色、黄色、青色部分）三个组分通过β-strand共折叠的方式形成独特的β-螺旋塔状结构（ECD塔）。这一塔状结构就像一个坚实的承重柱牢牢地插在细胞膜上，不仅能够稳定DGC的胞外结构域，而且为另外两个关键蛋白组分α-dystroglycan（也称α-DG, 图2卡其色部分）和α-sarcoglycan（图2粉色部分）提供了支撑位点。这些蛋白组分又共同与dystrophin（图2橙色部分）的CR结构域（cysteine-rich domain）在细胞膜内侧附近形成广泛相互作用，为dystrophin与细胞外的连接提供了结构基础。 图2. 小鼠骨骼肌内源DGC复合体高分辨结构电子密度图 值得一提的是，该结构在许多方面颠覆了人们先前对DGC组分组装模式的理解（图3）。例如，先前的模型认为α-、β-、γ-和δ-sarcoglycans和sarcospan一起构成了DGC中的一个外围亚复合体。然而，结构显示sarcoglycans和sarcospan并没有直接相互作用，而是分别位于β-dystroglycan（也称β-DG，图3左浅褐色，图3右深褐色部分）跨膜螺旋的两侧，进而帮助稳定β-dystroglycan。这其中由β-、γ-和δ-sarcoglycans形成的胞外侧ECD塔也是首次报道。此外，相比先前认为dystrophin与β-dystroglycan互作的模型，结构揭示了sarcoglycans蛋白在参与dystrophin锚定在细胞膜内侧的过程中发挥了更为关键的作用。 图3. 先前的DGC组装（左）和基于结构研究的DGC组装（右）的卡通模型对比 该结构为过去三十年临床研究中积累的大量与肌营养不良症相关的突变机制提供了宝贵的见解（图4）。研究团队揭示与肌营养不良症相关的致病突变大多分布于三个区域，包括ECD塔、a-sarcoglycan以及dystrophin与其他蛋白的作用界面，这表明这些特定区域对于DGC发挥正常功能的重要作用。研究团队重点分析了临床上引起严重表型的肌营养不良症的突变，发现这些突变往往位于蛋白亚基的相互作用界面和ECD塔的内部（图4c、d），推测这些突变会破坏蛋白质内部的互作或影响蛋白稳定性。为此，研究团队在体外表达了a-sarcoglycan膜外区部分，并在此基础上测试突变体对蛋白表达和性质的影响，发现所有测试的位于a-sarcoglycan上的单点致病突变均会影响蛋白的表达或稳定性，证实上述猜测。这为理解部分肌营养不良症的致病机制提供了深入见解。 图4. 肌营养不良症相关的突变位点分布及潜在致病机制 此外，该工作为临床开发肌营养不良症的新型基因治疗方法提供重要线索。目前针对DMD患者的治疗手段非常有限，其中一个策略是通过基因治疗方法来修补功能异常的dystrophin蛋白。但是，dystrophin编码基因是人体最长的基因之一，包括内含子在内的基因总长度约有2.2Mb，编码的蛋白则包含了3685个氨基酸。完整递送如此长的基因去替换致病基因，在技术上十分困难。为此，科学家尝试利用简化版的micro-dystrophin来代替全长蛋白。然而如何选择合适的micro-dystrophin是基因治疗的关键问题。研究团队所解析的结构显示，在dystrophin上占全长不足1/10长度的CR区域（cysteine-rich domain，图2橙色区域）是dystrophin参与DGC组装最核心区域。这为设计潜在更合理有效的micro-dystrophin提供了重要参考。未来，这个结构所提供的重要线索，或许能为肌营养不良症的治疗带来新的希望。 从左至右：吴建平、闫浈、万里 西湖实验室开拓学者万里、清华大学生命科学学院已毕业博士生葛霄飞、西湖大学博士生许祺奎、西湖实验室副研究员黄高兴宇为论文共同第一作者。西湖大学特聘研究员吴建平、闫浈为论文共同通讯作者。美国爱荷华大学Kevin P. Campbell教授和杨天帝博士参与了该工作。西湖大学的冷冻电镜平台、高性能计算中心、质谱平台以及实验动物中心为研究提供了技术支持。该研究获得了国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金委、西湖大学和西湖实验室的经费资助。 吴建平博士和闫浈博士在建立独立实验室前曾合作揭示了骨骼肌兴奋收缩偶联通路的关键分子基础（电压门控钙离子通道Cav1.1和钙离子释放通道RyR1的结构研究）。该项目是两位研究员分别建立独立实验室后再次合作，利用结构生物学手段理解肌肉生理功能方面取得的又一重要突破。除此合作方向外，两个团队近年来还分别在生殖生物学和植物蛋白转运方面取得了重要进展。 以下为团队简介： 吴建平课题组致力于基本生命过程的关键蛋白的结构与功能研究，特别关注探索受精过程的结构基础，以揭示受精过程的机理，帮助理解生命诞生的基本过程，并为不孕不育症的诊断、治疗和药物开发提供新思路。课题组长期招聘对生物化学、结构生物学、生殖生物学、生物信息学、电生理等方向感兴趣的成员。期待与有志青年学者共同探索生命的奥秘！联系方式：wujianping@westlake.edu.cn。 闫浈课题组综合运用生物化学、基因编辑、生物信息学、单颗粒冷冻电镜技术、人工智能建模、原位冷冻电子断层扫描等多元技术手段，致力于揭示重要蛋白复合体的工作机制，特别聚焦于叶绿体的发生、发育与稳态调节。课题组广泛招纳具有相关背景的研究系列人员、博士后、科研助理，同时接收本科或硕士起点的博士研究生，并热忱欢迎优秀的本科生加入，参与毕业设计项目。课题组将依据每位成员的专业背景和职业发展蓝图，定制个性化的培养方案，悉心培育未来的科研精英。加入我们的实验室，开启你的科学探索之旅，让我们一起创造更多可能！联系方式：yanzhen@westlake.edu.cn。 论文链接： https://www-nature-com.libproxy1.nus.edu.sg/articles/s41586-024-08310-2 设置星标，不错过精彩推文 开放转载 欢迎转发到朋友圈和微信群  微信加群  为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。 点在看，传递你的品味

LAMA2-CMD is an early onset congenital muscular dystrophy caused by the absence of the LAMA2 protein. Image credit: Shutterstock/ Dan76. Modalis Therapeutics has been awarded a rare paediatric disease designation by the US Food and Drug Administration (FDA) for its congenital muscular dystrophy type 1a (LAMA2-CMD) gene therapy. As per the designation, the Japan-based company will be eligible to receive a priority review voucher if the drug candidate, MDL-101, is approved by the FDA. Recipients can redeem priority review vouchers themselves for any chosen drug or instead sell them to other pharma companies. Having the ability to slash four months off FDA review time, vouchers can sell for about $100m. The designation comes after a period of uncertainty for the vouchers’ future, with the programme facing a tight deadline on sunset provisions. The US House of Representatives ultimately passed a bill last week to reauthorise the rare paediatric priority review voucher program through September 2029. Modalis said it also pursuing orphan drug status for its candidate, with the FDA currently reviewing the company’s application. Orphan drug status provides benefits such as tax credits for US-based clinical trials and market exclusivity. See Also: FDA approves PureTech’s KarXT to treat schizophrenia in adults FDA greenlights Regeneron’s Dupixent for the treatment of COPD LAMA2-CMD is an early-onset congenital muscular dystrophy caused by the absence of the LAMA2 protein. Affected infants can have severe muscle weakness, hypotonia, and joint deformities, amongst others. As those with the disease grow, spinal curvature and speech issues can also develop. There are no approved therapies to treat LAMA2-CMD. Gene therapies for LAMA2-CMD using an adeno-associated virus (AAV) vector are difficult to develop as LAMA2 is made up of 3,000 amino acids, meaning it cannot be loaded onto a vector, according to Modalis. The company is therefore using its clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-based epigenome editing technology to develop the therapy. MDL-101 works by inducing the expression of the sister gene LAMA1 in muscle tissues, which compensates for the deficient function of LAMA2. Modalis’s CEO Haru Morita said: “We have received many requests for our efforts from children and families around the world suffering from this disease for which there is currently no treatment, and we feel a mission to respond to the expectations of patients who are eagerly awaiting the start of clinical trials as soon as possible.” Modalis expects to file an investigational new drug (IND) application in 2025, according to a Q2 2024 financial results press release.