肢带型肌营养不良R1型小鼠模型的系统性代谢特征：早期病理标志物的发现与机制研究

本研究针对肢带型肌营养不良R1型（LGMDR1）的病理机制，通过对比CAPN3基因敲入（KI）与敲除（KO）小鼠模型，揭示了BCAA（支链氨基酸）代谢紊乱和系统性能量失衡是疾病早期关键特征。研究人员结合蛋白质组学、代谢组学和超微结构分析，发现KO小鼠肌肉线粒体损伤更严重，且肝脏糖原/脂质储备减少，为LGMDR1诊断和治疗提供了新靶点。

　　

肢带型肌营养不良R1型（Limb-girdle muscular dystrophy type R1, LGMDR1）是一种由CAPN3基因突变引发的遗传性肌肉疾病，患者表现为进行性肢体近端肌无力。尽管已知CAPN3编码的钙蛋白酶3（calpain-3）在肌肉功能中具有蛋白酶活性依赖和非依赖的双重作用，但其具体病理机制尚不明确。更棘手的是，目前缺乏早期诊断标志物，且不同突变类型导致的临床异质性使治疗策略制定困难重重。这些问题促使东京都医学科学研究所（Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science）的研究团队开展了一项系统性研究，通过对比CAPN3蛋白酶失活型敲入（KI, C129S）与完全敲除（KO）小鼠模型，揭示了代谢异常作为早期病理特征的关键作用。相关成果发表在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease》上。

研究采用多组学联用策略：通过iTRAQ定量蛋白质组学分析胫骨前肌（TA）的年龄依赖性变化（5/25/65周龄）；靶向代谢组学检测支链氨基酸（BCAA）及其衍生物；透射电镜（TEM）观察肌节和线粒体超微结构；血清生化指标（AST/ALT/TG）评估系统代谢状态；此外还结合HE染色、PAS染色和油红O染色分析组织病理特征。

3.1 长期表型分析揭示年龄依赖性病理进展

KI和KO小鼠在25周龄时均出现肌纤维中央核（CN）频率升高，但KO组更显著。透射电镜显示KO小鼠肌节Z线结构紊乱、线粒体破裂，而KI小鼠仅轻度异常。值得注意的是，5周龄时两组肌肉蛋白组已出现差异，提示代谢异常早于形态学病变。

3.3 蛋白质组学揭示代谢通路核心作用

GO分析显示"代谢过程"是KI/KO共同富集项。KO小鼠肌肉中二氢硫辛酰胺脱氢酶（DLD）下调导致支链酮酸（BCKA）积累，而KI小鼠因129品系SNP意外携带异戊酰辅酶A脱氢酶（IVD）缺陷，引发特异性Leu代谢障碍。

3.4 BCAA代谢紊乱的模型差异

靶向代谢组证实KO小鼠肌肉中α-酮异己酸（KIC）和α-酮异戊酸（KIV）显著积累，但下游产物异戊酰辅酶A（Iv-CoA）减少，提示BCKD复合体功能受损。mTOR磷酸化水平降低进一步表明合成代谢抑制。

3.5-3.6 系统性能量危机与肝脏代偿

KO小鼠肝脏糖原和中性脂质储备显著减少，但TEM显示脂滴形态正常，提示消耗增加而非合成障碍。肌肉中三羧酸循环（TCA）中间体（如苹果酸）减少，而肝脏中富集，反映器官间能量重分配。

这项研究首次阐明LGMDR1模型中CAPN3缺失通过双重机制导致病理表型：蛋白酶非依赖功能缺失引发肌肉结构破坏（KO>KI），而蛋白酶活性缺失主要影响代谢调控。BCAA代谢紊乱、肝脏能量储备耗竭等系统性特征可作为早期诊断标志物。尤为重要的是，研究发现血清AST/ALT比值和甘油三酯（TG）水平在年轻雌性KO小鼠中短暂升高，这为临床监测提供了潜在无创指标。该成果不仅深化了对CAPN3功能多样性的理解，更为开发靶向代谢干预策略奠定了理论基础。