苏州大学周晓中等团队发现SMN缺乏抑制软骨内成骨的调控新机制
2025-12-04
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由SMN1基因编码的运动神经元存活蛋白（Survival of motor neuron， SMN）是所有组织中必不可少且普遍表达的蛋白。先前的研究表明，SMN缺乏会损害骨发育，但异常软骨内成骨的潜在机制尚不清楚。 2025年12月1日，苏州大学周晓中等团队合作（周子杰为第一作者）在Bone Research 在线发表题为“SMN deficiency inhibits endochondral ossification via promoting TRAF6-induced ubiquitination degradation of YBX1 in spinal muscular atrophy”的研究论文，该研究通过分析增生性软骨细胞的单细胞RNA测序数据，发现SMN通过调节RNA剪接和蛋白质降解参与了增生性软骨细胞的分化。值得注意的是，Smn1缺失在Smn1缺失-严重脊髓性肌萎缩症（SMA）小鼠模型和Smn1软骨细胞条件敲低小鼠中诱导侏儒症和软骨内成骨延迟。组织学分析显示，SMN缺乏扩大了生长板中肥大软骨细胞区，但延迟了从肥大软骨细胞到骨化区的转变。 通过对出生后第4天的SMA小鼠生长板软骨的RNA测序，发现软骨内成骨相关基因表达和剪接谱的广泛变化。重要的是，基于质谱的蛋白质组学分析阐明了Y-盒结合蛋白1 （YBX1）作为重要的SMN结合因子，在SMA小鼠中减少。YBX1基因敲低可复制SMA生长板软骨中观察到的异常基因表达和剪接变化。比较SMN和YBX1的结合蛋白发现TNF受体相关因子6 （TRAF6）促进YBX1的泛素化降解。通过有条件地删除WT小鼠软骨细胞中的Smn1，并在SMA小鼠软骨细胞中过表达Smn1，该研究证明了SMN在软骨细胞中的表达对于肥大软骨细胞介导的软骨内成骨至关重要。综上所述，这些结果表明SMN缺乏通过促进TRAF6诱导的SMA小鼠生长板软骨中YBX1的泛素化降解而导致快速的全身性骨发育不良综合征。
在脊椎动物中，长骨和椎骨是通过软骨内成骨形成的。生长板内的软骨细胞分化参与软骨内成骨，是骨生长的主要因素。软骨内骨化受损可导致严重的骨骼发育不良。除了进行性萎缩和近端随意肌无力外，脊髓性肌萎缩症（SMA）是一种致命的遗传性疾病，还表现为骨骼异常，包括骨生长缺陷、长骨骨折、骨质减少和脊柱侧凸。迄今为止，包括反义寡核苷酸Nusinersen、小分子药物Risdiplam和基因疗法Onasemnogene abeparvovec在内的几种有效治疗方法已被批准用于SMA患者，并显著延长了患者的寿命，特别是对重症患者。这促使研究人员进一步考虑如何更好地提高SMA患者的生活质量。骨骼作为决定生活质量的关键因素，在支持运动功能和保护肌肉等软组织方面发挥着重要作用。考虑到骨发育异常可能归因于软骨内成骨受损，研究人员进一步探讨SMA患者软骨内成骨缺陷的机制。
SMA是由运动神经元1 （SMN1）的纯合突变或缺失引起的，SMN1编码细胞核和细胞质中普遍表达的必需蛋白SMN。SMN最著名的作用是在剪接体snRNPs的组装中，这是催化前mRNA剪接过程中内含子去除所必需的。据报道，在SMA小鼠的脊髓、肌肉、肝脏和大脑等各种组织中普遍存在剪接缺陷，并观察到异常剪接水平随着疾病进展而增加。SMN在包括mRNA运输、细胞骨架动力学和泛素-蛋白酶体系统在内的多种基本细胞稳态途径中也起着重要作用。所有动物都只有一个Smn1基因，敲除Smn1基因会导致胚胎死亡，而人类有一个同源的SMN2基因，表达相同的SMN蛋白。然而，SMN2中两个关键的核苷酸转换，包括7号外显子的C6T和6号内显子的G-44A，在大约90%的SMN2转录本中诱导7号外显子跳跃，从而产生约10%的全长SMN蛋白。SMN2表达的少量全长SMN蛋白不足以完全挽救SMN1的缺失，但对于SMA患者的生存至关重要。
图示SMN蛋白水平与SMA表型结果之间的关系（图源自Bone Research ）
越来越多的证据表明，SMA患者和小鼠模型的骨结构损伤和发育缺陷主要归因于细胞自主机制。Hensel等人证明，在SMA小鼠中，骨生长缺陷发生在矿化缺陷之前，甚至早于神经肌肉症状的出现，表明骨生长缺陷部分独立于神经肌肉变性。此外，小鼠间充质祖细胞中Smn1的条件敲除导致骨发育缺陷和生长板稳态受损，从而抑制神经肌肉连接，强调了促进骨生长在治疗SMA中的重要性。本研究还阐明了SMN蛋白的缺失减少了软骨细胞中局部胰岛素样生长因子，这是小鼠骨生长受到抑制的原因。尽管在SMA中观察到软骨内成骨缺陷，但尚未有全面的研究在细胞和分子水平上研究这一过程的损伤。
该研究通过分析以胶原X型I （Col10a1）为标志基因的增生性软骨细胞的单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据，发现SMN蛋白通过调控RNA剪接和蛋白降解参与了增生性软骨细胞的分化。Smn1缺失损害了软骨内成骨，抑制了SMA生长板中肥大软骨细胞的分化和从肥大带（HZ）到骨化带的转换，以及Smn1小鼠的软骨细胞特异性缺失。
通过质谱和氧化石墨烯富集分析，剪接因子Y盒结合蛋白1 （YBX1）被确定为SMA小鼠生长板软骨中重要的SMN结合蛋白，并调节软骨内成骨相关基因的错误剪接。机制上，SMN消融增加了YBX1与TNF受体相关因子6 （TRAF6）的相互作用，促进YBX1泛素化降解。最后，用反义寡核苷酸10-29 （ASO10-29）治疗后，研究人员观察到软骨细胞病理、YBX1蛋白水平和选择性剪接事件的恢复。ASO10-29是一种增加SMN水平的治疗性反义寡核苷酸。总之，这些结果表明SMN缺乏通过增加TRAF6诱导的抑制软骨内成骨。
