SMN缺乏通过激活cAMP-PKA通路导致心脏肾上腺素能不敏感

《Neurobiology of Disease》：SMN deficiency causes cardiac adrenergic insensitivity via activation of the cAMP-PKA pathway

　　

脊髓性肌萎缩症是一种由生存运动神经元蛋白水平降低引起的遗传性疾病。其主要病理学特征涉及运动神经元的丧失，然而神经元外组织，包括心脏，也会受到影响。目前对SMA中心功能障碍的潜在机制知之甚少，部分证据表明体内交感神经支配受损。为了研究心功能障碍的起源，研究人员使用SMA的SMNΔ₇小鼠模型和源自SMA患者诱导多能干细胞的心肌细胞评估了心脏肾上腺素能反应。β肾上腺素能激动剂异丙肾上腺素未能增加Ca²⁺瞬态的幅度或心率。肾上腺素能不敏感与β肾上腺素能受体下游的cAMP-PKA信号通路的慢性激活有关。在SMN缺乏的心脏组织中，基础cAMP水平和PKA活性显著升高，而PDE活性降低。总而言之，这些发现提出了SMA心功能障碍的一种新分子机制，该机制使心脏对肾上腺素能刺激不敏感，并确定PDE通路是改善SMA心脏缺陷的潜在治疗靶点。

脊髓性肌萎缩症是一种由SMN1基因纯合突变导致生存运动神经元蛋白产生不足引起的遗传性疾病。SMN蛋白是剪接体组装的关键成分，其缺乏会损害前体mRNA加工，导致α运动神经元变性和进行性肌无力与萎缩。随着SMN恢复疗法的出现，SMA患者的寿命显著延长，但该疾病的多系统性质日益明显。其中，心脏异常是一个重要的关注点。在SMA患者和小鼠模型中均观察到心动过缓和心输出量减少等功能障碍。通常认为这些心脏缺陷是呼吸受损或自主神经功能障碍，特别是β-肾上腺素能神经支配丧失的继发效应。令人担忧的是，有证据表明当前的治疗可能无法完全解决心脏问题，因此迫切需要了解其潜在的致病机制。针对此问题，研究人员开展了关于SMN缺乏如何影响心脏肾上腺素能反应的研究。研究发现SMN缺乏的心肌细胞对β-肾上腺素能刺激不敏感，这并非由于受体的缺失，而是由于下游cAMP-PKA信号通路已被慢性激活。该研究揭示了SMA心功能障碍的新型分子机制，并指出PDE通路可作为改善SMA心脏缺陷的潜在治疗靶点，这对管理SMA患者的心血管并发症具有重要的临床意义。该论文发表在《Neurobiology of Disease》上。

研究人员主要使用了出生后第10至12天的SMNΔ₇转基因小鼠模型以及源自SMA患者（GM23240）和正常对照（ND2.0）的诱导多能干细胞分化而来的心肌细胞作为样本队列。通过钙离子敏感荧光探针结合光电倍增管测量细胞内Ca²⁺瞬变；利用离体心脏逆行灌流技术记录心率；采用酶联免疫吸附测定检测PKA活性与cAMP浓度；利用荧光素酶实验评估IBMX敏感的PDE活性；通过定量逆转录聚合酶链反应分析PDE亚型的mRNA表达水平；并运用蛋白质印迹法分析相关蛋白表达。

研究结果部分总结如下：

SMN-deficient cardiomyocytes do not respond to β-adrenergic stimulation
研究人员在分离自SMNΔ₇小鼠的Smn^?/?心室肌细胞及SMA患者iPSC衍生的心肌细胞中，加入非选择性β-肾上腺素能激动剂异丙肾上腺素。结果显示，对照组心肌细胞的Ca²⁺瞬变幅度显著增加，而SMA心肌细胞未见增加甚至有所下降。蛋白质印迹分析表明两组心脏组织中β1-肾上腺素能受体表达无差异。在离体灌流心脏实验中，异丙肾上腺素显著增加了对照组小鼠的心率，但对SMA小鼠已处于基础较高水平的心率无影响。这表明SMA心肌细胞内在地对异丙肾上腺素不敏感。

PKA activity is increased in SMN-deficient cardiomyocytes
研究人员测量了小鼠心室组织中的PKA表达和活性。结果显示，SMA和对照组小鼠心脏中PKA表达无显著差异，但SMA心脏心室裂解物中的PKA活性显著高于对照组。在通过siRNA敲低SMN表达的对照iPSC衍生心肌细胞中也证实了PKA活性的增加，表明这是SMN丧失的直接细胞自主性后果。

cAMP levels are increased in SMN-deficient cardiomyocytes
由于PKA活性的增加并非源于表达量的增加，研究人员进一步测量了cAMP浓度。发现SMA心脏的基础cAMP水平比对照组高出约10倍。在SMN敲低的iPSC衍生心肌细胞中，cAMP含量也显著高于未转染和乱序siRNA对照组。细胞内cAMP已达到最大水平，使得通过激活β-肾上腺素能受体进一步产生cAMP成为不可能。

SMN-deficient cardiac tissues exhibit decreased phosphodiesterase activity
cAMP-PKA信号通路的激活通常由降解cAMP的PDE终止。研究人员测量了心脏组织中IBMX敏感的PDE活性，发现SMA小鼠心室组织中的PDE活性显著低于对照组。在SMN敲低的iPSC衍生心肌细胞中也观察到了PDE活性的降低。qPCR分析显示，SMA心脏中PDE4B和PDE8A亚型的mRNA表达显著下调。这表明cAMP-PKA信号轴的失调和心功能受损是由于SMN依赖性的PDE活性丧失所致。

在讨论部分，研究人员总结指出，心脏功能障碍不仅是其他系统性问题的继发后果，而是心肌细胞内在的问题。即使在神经肌肉方面对SMN恢复疗法反应良好的患者中，心脏异常也可能持续存在，这强调了所有SMA患者都需要进行专门的心血管监测。β-激动剂对于治疗这种心脏表型无效，而使用PDE小分子激活剂或抑制过度活跃的cAMP-PKA轴的策略可能成为解决SMA心脏并发症的新型辅助疗法。此外，PDE功能失调和cAMP稳态破坏可能是导致SMA多种非运动性发病机制的广泛致病机制。研究结论表明，这些发现提出了SMA心功能障碍的一种新分子机制，该机制使心脏对肾上腺素能刺激不敏感，并确定PDE通路是改善SMA心脏缺陷的潜在治疗靶点。