⭐ 致病基因

当前ALS致病因素公认最相关的是年龄和遗传。年龄因素同时也是很多神经退行性疾病的最大致病风险；遗传性ALS虽然占病患比例仅为5%，但仍有20多个基因被列入ALS的元凶名单。早在1993年，超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）被发现与ALS密切相关，大概20%的遗传性ALS与之相关。正常的SOD1会将细胞产生的具有活性的过氧化物转化成过氧化氢和氧气，而突变的SOD1不能完成这个任务，从而造成神经元氧化损伤，出现神经肌肉功能损伤。                   

罕见病基因：SOD1

突变的SOD1蛋白本身会在细胞内聚集形成内涵体，但在ALS中出现聚集最多的并不是SOD1，而“另有其人”。由于SOD1发现得早，所以相关研究最为丰富，随着对ALS的深入研究，SOD1其他致病机理逐渐被挖掘，包括轴突运输、脊髓毛细管出血、诱发炎症、破坏髓翘等方面。                         

2001年，发现与早发型ALS相关的ALS2，该基因编码的蛋白负责核内体转运；

2002年发现参与RNA加工的SETX；

2004年发现与内质网和胞内膜转运相关的VAPB；

2006年ANG和CHMP2B加入ALS致病基因家族，前者参与RNA加工，后者与核内体转运和自噬相关。

2008年，另一个重要的ALS相关基因浮出水面：TARDBP基因编码的TDP-43 (TAR DNA binding protein 43)。                            

TDP-43与AD（阿兹海默病）中的tau，PD（帕金森病）中的α-syn，HD（亨廷顿病）中的htt并称“四大恶人”。TARDBP全名是反式反应DNA结合蛋白4（transactive response DNA-binding protein 4），在遗传性ALS中的占比很小（家族性占比<5%和散发性占比<1%）。但高达97%病患的运动皮层和脊髓中都发现了TDP-43聚集而成的内涵体，这些病患中并没有出现TARDBP的突变，那是怎么回事呢？                            

罕见病基因：TDP-43

TDP-43平时主要参与mRNA相关的工作，比如转录调控，以及mRNA的剪切加工、转运或者代谢等。但在ALS研究中，发现本应该在细胞核内工作的TDP-43大量涌入细胞质，从而导致细胞核内“劳动力”不足，TDP-43负责的mRNA无法加工成成品，同时聚集在细胞质中的TDP-43开始躁动，形成内涵体，危害神经元的正常活动。                                

图1 TDP-43沉积和ALS的相关基因的陆续发现^[1]

2009年，发现了FUS（Fused in sarcoma）蛋白和另一个核内体转运融合蛋白FIG4。FUS是一个RNA结合蛋白，它的突变在家族性ALS和散发性ALS中分别占比4%和1%。针对该蛋白的研究，最开始是在脂肪肉瘤领域，作用和TDP-43有些类似，突变能促使各自蛋白发生聚集，从而杀死神经元。

再往后，SPG11（胞内转移酶，与轴突生长相关），OPTN（自噬相关），ATXN2（RNA加工），VCP（自噬），SIGMAR1（蛋白酶系统，自噬）和UBQLN2（泛素蛋白酶系统，自噬）等相继被揪出。其中，UBQLN2（2011年发现）位于X染色体上，是目前发现的ALS基因中唯一一个位于性染色体上的基因。

2011年，新发现的基因中，真正的主角并不是UBQLN2，而是C9ORF72。C9ORF72片段中的内含子，有个GGGGCC序列发生了400-2000次的重复，而正常该片段的重复在10次以内。这种变异在家族性ALS和散发性ALS中分别占比36.7%和6.3%，另外在家族性FTD（额颞页痴呆）中占比25%，所以遗传性ALS会经常出现FTD的症状。在延髓性ALS中，C9ORF72相关的病患比例高达44%。从该基因的命名可看出，目前致病机理还未明确，有少数报道其参与自噬和内涵体运输。该基因的相关病患大多在欧美，亚洲绝大部分地区相当罕见。

之后，陆陆续续发现了近10个与ALS相关的基因，就不一一介绍了。下图是所有ALS基因的详情，标了颜色是热点的，没标颜色的目前研究相对较少。

图2 ALS相关基因信息列表^[1]    

⭐ 小鼠模型

ALS通过基因编辑或转基因建模比化学诱导模型靠谱，于是很多ALS转基因小鼠应运而生。大部分ALS相关基因是常染色体显性的，所以让转基因小鼠出现症状并不难

SOD1是最早发现的，因此相关的模型小鼠非常多，截至2019年，有接近30种；TARDBP编码TDP-43相关的有超过30种；FUS大概接近10种；其余如UBQLN2、VCP和VABP的动物模型则比较少。

那C9ORF72呢？

当然有，该基因的外显子突变是极少的，而致病原因又是内含子中的片段重复，所以一般通过BAC敲入。该基因发现较晚，但由于与ALS相关性最高，所以对它的研究很多。              

综合目前多种实验结果，科学家们提出了三种关于C9ORF72的假说；

❖ 过度重复的片段造成该蛋白功能的缺失

❖ 这些重复所转录的正义和反义RNA产生的毒性

❖ 这六个碱基编码的二肽重复蛋白产生的毒性                                   

对于动物模型的构建，过表达所造成的神经元死亡和运动障碍较明显，可用来模拟中晚期的病情（图3中绿色箭头代表）；敲入对小鼠所造成的影响较小，可模拟早中期的病情。

图3 ALS发病率^[2]

基因敲除小鼠是研究这些基因功能和ALS深层机理的重要工具。在这些基因中，TDP-43纯合敲除小鼠是不可以繁衍的，因为其杂合子表现出对运动神经元有一定的保护作用；而SOD1基因敲除小鼠出现了严重的外周神经疾病。

基因敲入小鼠是将突变后的小鼠基因敲入小鼠，仅仅在小鼠原有基因上进行一两处碱基突变，就可以表现出很符合的ALS病理特征。如VCPR155H小鼠，在老龄时有50%的运动神经元死亡，同时在细胞质产生了TDP-43内涵体。而总体而言，敲入模型运动能力的减弱较轻微。

人源化小鼠模型随着近几年基因编辑技术的发展而成为热点，是在小鼠原有基因的位置上替换人类对应的基因。如人源化FUSδ14小鼠，会让小鼠细胞中的FUS定位发生紊乱，从而造成运动神经元的死亡。                            

⭐ 参考文献及引用图片来源：

[1] Al Sultan A, Waller R, HeathP, Kirby J. The genetics of amyotrophic lateral sclerosis: current insights.Degener Neurol Neuromuscul Dis. 2016;6:49-64

[2] Giorgio F D , Maduro C ,Fisher E M C , et al. Transgenic and physiological mouse models give insightsinto different aspects of amyotrophic lateral sclerosis[J]. Disease Models& Mechanisms, 2019, 12(1):dmm037424.