第 74 章：粗肌丝与细肌丝蛋白——获得性与遗传性肌节蛋白疾病（Thick and Thin Filament Proteins: Acquired and Hereditary Sarcomeric Protein Diseases）

引言（Introduction）

骨骼肌约占人体质量的 40%，因原发性神经肌肉疾病，或继发于危重症、癌症、肾脏疾病、HIV、术后创伤、慢性心力衰竭、慢性阻塞性肺疾病、衰老及微重力环境而发生的肌肉质量与功能丧失，对发病率、死亡率及生活质量均产生显著的负面影响。收缩蛋白是骨骼肌中占主导地位的蛋白组分，其中肌球蛋白很可能是人体中表达丰度最高的基因产物，但收缩蛋白与特定骨骼肌疾病之间的关联直到最近才被系统认识。这一疾病实体受到关注，最初是由心肌病与编码 I 型/β 慢肌球蛋白重链（MyHC）同工型的 MYH7 基因（该基因既在心肌表达，也在慢骨骼肌纤维中表达）突变之间的直接联系所触发；后续研究显示，心肌病相关 MYH7 突变同样会损害骨骼肌 I 型/β 慢肌球蛋白的功能，但其表型被心肌病相关症状所掩盖。

仍有大量骨骼肌无力患者无法获得正确诊断，或仅基于症状、电生理检测及肌活检组织病理学获得描述性诊断。然而，电生理学无法区分不同类型的肌病，组织病理学所描述的结构异常也未必反映其潜在机制。特异性日益增强的遗传学与分子诊断工具，结合细胞与亚细胞水平的结构-功能分析，为改进诊断与理解潜在机制提供了前所未有的机会。本章这一短综述将聚焦于：(i) 影响收缩蛋白表达的获得性疾病及生理状态；(ii) 编码粗肌丝和/或细肌丝蛋白的基因发生突变并诱发肌病的遗传性疾病。

急性四肢麻痹性肌病（Acute Quadriplegic Myopathy）

多数肌肉消耗状态以收缩蛋白的整体性丢失为特征，例如长期卧床所伴随的肌肉消耗。然而，亦存在导致粗肌丝或细肌丝蛋白优先丢失的病理与生理状态。肌球蛋白及肌球蛋白相关粗肌丝蛋白的优先完全或部分丢失、同时肌动蛋白及其他细肌丝蛋白表达得以保留，曾被认为是重症监护病房（ICU）患者中急性四肢麻痹的特有表现，而肌球蛋白与肌动蛋白比值的显著降低目前已成为此类获得性肌病在 ICU 患者中最敏感的诊断标志。该病是现代重症监护中一种常见并发症，主要累及四肢和躯干肌肉，颅面肌通常不受累或受累较轻，患者的感觉与认知功能通常保持完整。该病最初被命名为急性四肢麻痹性肌病（AQM），此后又被赋予多种描述性名称，例如重症肌病、粗肌丝肌球蛋白肌病、严重哮喘的急性肌病、重症监护肌病等。AQM 是一种潜在致死性的并发症，可延长危重症患者的康复进程，使 ICU 治疗的中位费用增加三倍。后续大量的康复需求以及出院后多年内生活质量的严重受损，还可带来额外沉重的经济负担。

多年来，AQM 的诊断曾因电生理信号被误读而被与神经源性的肌肉麻痹（如重症多发性神经病和 Guillain-Barré 综合征）混为一谈。常规电生理技术的特异性过低，而肌肉组织的组织病理学分析对 ICU 中 AQM 患者的诊断敏感性过低。然而在 ICU 中正确区分肌病与神经病非常重要，因为：(i) 获得性神经病与获得性肌病的预后差异显著；(ii) 全身性糖皮质激素（CS）治疗可能有益于急性神经病的治疗，但对 ICU 中的获得性肌病却具有相反的作用。机械通气、神经肌肉阻滞剂（NMB）、肌肉卸载、脓毒症、循环中的活性因子和/或皮质类固醇激素均被提议为诱发因素。AQM 患者严重且快速的肌肉消耗被认为与不同蛋白水解通路的激活相关，但也继发于肌球蛋白合成在转录水平上的剧烈下调，这一点已由原位杂交、实时 PCR 和基因芯片分析加以证实。

在临床环境中对 AQM 潜在基本机制的认识不足，部分源于肌病与神经病之间的基本区分常未被明确划清，且复杂临床、电生理及组织学异常的报告常不完整。诊断与分类经常基于临床观察、电生理测量与肌活检组织病理学，但三者均为弱诊断指标。对全身性肌无力的研究因 ICU 患者中常并存一种以上导致肌肉麻痹的因素而进一步复杂化。不同的原发疾病、药物治疗的高度变异性、以及在入住 ICU 后数周才采集肌肉样本并暴露于致病因素的事实，均是临床环境中 AQM 机制研究的复杂化因素。因此，迫切需要能够模拟 ICU 条件的实验动物模型。已经使用过多种不同的实验模型，但其中许多模型缺失 ICU 干预的关键组分（如长期机械通气与制动，数周尺度）。许多收缩蛋白的更新率极低，因此能够长期暴露于 ICU 条件的实验模型，对于理解细胞内信号通路与基因调控如何影响蛋白表达与肌纤维功能至关重要。Dworkin 与 Dworkin 发展出一种独特的实验大鼠模型用以研究血压调节，该模型对神经肌肉阻滞的大鼠进行机械通气并对其进行长期密集监测（迄今最长持续时间为 93 天）。该模型为研究肌球蛋白及肌球蛋白相关蛋白丢失的机制提供了独特的机会。运用该模型所得的近期结果表明，肌球蛋白合成的转录水平下调以及收缩蛋白降解的增强，与 ICU 患者中机械静默（即缺乏承重以及肌肉收缩过程中收缩元件激活所随之产生的内部应变）相平行。蛋白降解通路的详细分析表明，泛素-蛋白酶体通路在此过程中高度参与——具体而言，MuRF1 与 MuRF2 的定位呈现序贯变化：在最初 4 天内，二者从肌节重新定位至肌细胞核，随后又定位至胞质，在核周区域与胞质 SRF 共定位。

癌性恶病质与其他疾病状态（Cancer Cachexia and Other Conditions）

尽管肌球蛋白的优先丢失被提出为 ICU 中 AQM 患者的特有表现，但一系列其他肌肉消耗状态亦被显示与肌球蛋白的优先丢失相关，包括癌性恶病质、慢性心力衰竭、慢性阻塞性肺疾病和衰老。超过 50% 的癌症患者发生恶病质，估计约三分之一的死亡由恶病质而非肿瘤负荷本身所致。诸如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素（IL）-1β、IL-6 和干扰素-γ 等炎性细胞因子被认为与癌性恶病质相关，但其中任何单一细胞因子本身均不足以诱发恶病质；它们联合作用时，通过选择性靶向肌球蛋白而导致严重的肌肉消耗。体外实验已显示，TNF-α 与干扰素-γ 的联合作用可在蛋白与 mRNA 水平上选择性地、渐进性地耗竭肌球蛋白。MyoD 这一成肌分化核转录因子的表达同步下降，支持转录调控在肌球蛋白合成中的重要作用。在啮齿类动物癌症模型中，肌球蛋白的丢失与肌球蛋白 mRNA 水平的下降并不相关，肌球蛋白的丢失主要与泛素连接酶依赖性蛋白酶体通路的激活增强相关。许多细胞因子（包括 TNF-α、IL-1、IL-6 与 IL-8）由 NF-κB 这一转录因子所上调；Kawamura 及其同事在实验动物模型中显示，阻断 NF-κB 可抑制癌性恶病质而不影响肿瘤生长。此外，在一例因肺癌而发生快速恶病质与截瘫的患者中，亦已报道显著的肌球蛋白优先丢失伴蛋白合成在转录水平的下调；其肌电图在远近端下肢肌肉中显示癌性神经肌病的征象。

慢性心力衰竭与慢性阻塞性肺疾病相关的骨骼肌无力被认为与肌肉产力能力下降及肌球蛋白的选择性丢失相关，而不存在肌原纤维蛋白的整体性丢失证据。在啮齿类动物与人类中，与年龄相关的肌肉消耗（即肌少病，sarcopenia）也与肌球蛋白的轻度优先丢失相关。因此，不同肌肉消耗状态中肌球蛋白优先丢失的报道表明，这一现象不能被视为 AQM 的特有表现。然而，在 ICU 中的 AQM 患者中，可观察到严重乃至完全的肌球蛋白丢失；据作者所知，这种优先丢失程度超过了上述任何其他状态下的选择性丢失。Fitts 及其同事报道，在微重力与长期航天飞行条件下，人类骨骼肌中肌动蛋白存在优先丢失。因此，部分肌肉消耗状态与选择性的肌球蛋白或肌动蛋白丢失相关，尽管多数肌肉萎缩模型以肌原纤维蛋白的整体性丢失为特征。这表明存在复杂的、相互协调的信号通路调控肌原纤维蛋白的合成与降解，且这些通路在不同肌肉消耗状态下具有特异性，但对这些信号通路的理解仍不完整。

遗传性粗肌丝与细肌丝蛋白肌病概述（Hereditary Thick and Thin Filament Protein Myopathies）

自 1990 年首次发现以来，已在 14 个编码粗肌丝与细肌丝蛋白的基因中鉴定出超过 300 种不同的人类突变，这些突变与骨骼肌无力及多种疾病表型相关，但导致无力的机制仍不清楚。近期的研究采用从单分子水平至整肌水平的多层次方法，为这些机制提供了重要的新洞见。在本章这一部分中，将重点介绍这些研究的部分结果，聚焦于编码粗肌丝与细肌丝蛋白的基因突变如何导致收缩功能障碍与骨骼肌无力。本节所述突变集中于在成人肌肉中表达的同工型基因（MYH2 和 MYH7）中的突变，原因是关于在胎儿、新生儿及儿童中表达的同工型（如围产期 MyHC 的 MYH8 和胚胎期 MyHC 的 MYH3）的突变数据仍较为缺乏。这些缺陷通常为错义突变，修改单个 DNA 核苷酸，导致 MyHC 不同区域中仅有一个氨基酸被替换：替换可发生在肌动蛋白结合界面、核苷酸结合口袋附近、转化结构域、与肌球蛋白轻链同工型的界面附近，或肌球蛋白杆部区域。遗憾的是，其中只有少数突变已得到功能性表征。

肌动蛋白结合界面（Actin-Binding Interface）

R403Q 与 R403W 是研究最为深入的缺陷（均为 MYH7 突变），可导致骨骼肌无力以及肥厚型心肌病。由于其在分子中的关键位置，它们倾向于改变肌球蛋白头部与肌动蛋白结合的动力学以及在强结合态停留的时间（即 duty ratio）。因此，R403Q 与 R403W 改变细胞水平的力生成能力；同时亦可能改变 ATP 酶活性速率，导致 ATP 利用效率降低并以更高能量代价产生给定力。所有这些分子与细胞水平的收缩功能障碍被认为在无力及疾病表型的发展中起原发作用。

核苷酸结合口袋（Nucleotide-Binding Pocket）

R453C（另一种 MYH7 突变）同样导致骨骼肌无力与肥厚型心肌病。与 R403Q 和 R403W 不同，R453C 降低 ATP 酶活性速率。它同时延长 duty ratio 并增加细胞水平的力生成。在 R453C 中，动力活性是增强的。这种改变扰乱了肌节内力的平衡，可能促成肌节排列紊乱、收缩失调与无力。

转化结构域（Converter Domain）

E706K、R719W、R723G 与 F764L（MYH7 和 MYH2 突变）导致包涵体肌病或骨骼肌无力合并肥厚型心肌病。E706K 与 F764L 通过减缓 ATP 水解而破坏肌球蛋白头部与肌动蛋白的解离，延长在强结合态（即 duty ratio）的停留时间，使肌节更易于受损。相比之下，R719W 与 R723G 不改变 ATP 水解，而是影响转化区的弹性形变，可能影响肌球蛋白头部的倾斜过程。在细胞水平上，这导致更强的力生成能力。肌节上异常大的力倾向于促进肌节紊乱、收缩功能障碍与无力。

肌球蛋白杆部（Myosin Rod）

L908V、E1356K、R1500W、R1500P、L1793P、R1845W、E1886K 与 H1901L（均为 MYH7 突变）可导致范围广泛的疾病表型。与上文所述突变不同，这些特定的替换改变肌球蛋白分子的形成，并破坏其形成稳定、有功能的两极性粗肌丝的能力，从而妨碍正常的肌节生成。除 MYH2、MYH3、MYH7 与 MYH8 的缺陷外，编码肌球蛋白结合蛋白 C 的 MYBPC3 中亦存在突变，但其分子与细胞水平损伤的特征化研究仍有待开展。

细肌丝蛋白相关突变（Mutations in Genes Encoding Thin Filament Proteins）

首个突变于 1995 年被鉴定。此后，又在 TNNI2、TNNT1、TNNT3、TPM2、TPM3、ACTA1 与 NEB（分别编码肌钙蛋白 I、肌钙蛋白 T 同工型、原肌球蛋白同工型、肌动蛋白和伴肌动蛋白）中发现了许多其他突变。然而，大多数此类突变与骨骼肌无力之间的联系仍未阐明，需要进一步研究。因此，本节重点介绍关于 ACTA1、TPM2、TPM3 与 NEB 缺陷的少量已有研究。

肌动蛋白（Actin）

已检测到 ACTA1 中超过 170 种致病的突变。其中部分突变为无义突变，导致骨骼肌肌动蛋白的完全缺失以及出生后头两年内的早夭。其他突变为错义突变（如 MYH2 与 MYH7 中所见），导致肌动蛋白各区域中单一氨基酸的替换。遗憾的是，迄今为止，尚不能建立基因突变、氨基酸替换位置、功能改变与无力之间的直接相关性。事实上，M132V、D286G 与 K336E 倾向于促进肌球蛋白头部与肌动蛋白的强结合；位于类似区域的其他突变（包括 D292V 与 P332S）则无可检出的收缩效应。因此，要阐明这些突变如何导致收缩功能障碍与骨骼肌无力，仍需开展大量工作。

原肌球蛋白（Tropomyosin）

TPM2 与 TPM3（分别编码 β 与 γ 原肌球蛋白同工型）中的突变通常为错义突变，亦导致蛋白中单一氨基酸的替换。R133W 导致骨骼肌无力与远端关节挛缩。该突变位于原肌球蛋白分子的中部区域，局部改变卷曲螺旋二聚体的稳定性。其后果是原肌球蛋白在细肌丝上的移动受损。这改变肌球蛋白头部与肌动蛋白结合/解离的动力学，限制强结合与 duty ratio。在细胞水平上，这降低力生成能力，促成无力的发生。R91P、R168H 与 E241K 被认为以类似方式作用。然而，当氨基酸替换发生在原肌球蛋白分子的 N 端时，功能缺陷显著不同。与骨骼肌无力及棒状体肌病相关的 M9R 与 E41K 并未诱发上述事件级联，而是扰乱钙信号沿细肌丝蛋白的传递。由于 M9R 与 E41K 位于与肌钙蛋白复合体结合相邻的区域，肌钙蛋白（钙传感器）至肌球蛋白头部-肌动蛋白相互作用的信息"中继"很可能被打断。在细胞水平上，需要更多的钙才能产生正常的力，导致能量消耗增加与运动表现改变。

伴肌动蛋白（Nebulin）

NEB 中已报道大量突变。其中第 55 外显子的缺失最为常见，与伴肌动蛋白的部分缺失以及细肌丝长度的缩短相关。这并不令人意外，因为伴肌动蛋白具有多种重要的结构功能，特别是稳定细肌丝。较短的细肌丝长度不允许细肌丝与粗肌丝之间的完全重叠，从而减少能够强结合于肌动蛋白的肌球蛋白头部数量。因此，这改变细胞水平的力生成能力，导致肌肉无力。其他 NEB 突变亦导致伴肌动蛋白的部分缺失与无力，但并非总是伴随细肌丝长度的缩短。因此，其他分子事件可能发生。例如，第 3 与第 22 外显子的跳跃可导致肌球蛋白头部与肌动蛋白结合的循环速率显著下降，并降低在强结合态（即 duty ratio）的停留时间。有趣的是，同时原肌球蛋白在细肌丝上的移动部分受限，进一步阻止肌球蛋白头部的额外结合。在细胞水平上，如同第 55 外显子缺失一样，这降低力生成能力。

巨蛋白 titin（Titin）

除 MYH2、MYH3、MYH7、MYH8、MYBPC3、TNNI2、TNNT1、TNNT3、TPM2、TPM3、ACTA1 与 NEB 中的突变外，编码巨型蛋白 titin 的基因（TTN）在过去 15 年中亦有一系列不同的突变被报道。Titin 不被视为粗肌丝或细肌丝蛋白，而常被称为"第三根肌丝"，其跨越肌节全长，从 Z 盘延伸至 M 带。已有报道，跨越 titin 分子从 Z 盘至 A 带区域的大量突变可导致不同类型的心肌病。有趣的是，多数导致心肌病的 titin 突变对骨骼肌的结构与功能并无影响，而骨骼肌中的 titin 突变亦不与心力衰竭相关。骨骼肌 titin 突变位于 C 端区域（M 带区域）的杂合携带者会发生一种晚发性远端肌病，即 Udd 肌病；而纯合携带者则发生严重的早发性肢带型肌营养不良（LGMD2）。titin 激酶结构域（位于 C 端区域的另一部分）中的突变则与复杂的表型相关。titin 激酶与多种力学敏感性蛋白的复合体相互作用，参与肌肉蛋白更新的调控。最初由 Edström 于 1990 年所描述的 titin 激酶结构域中的 R279W 突变，可导致一种遗传性肌病，表现为近端上肢与下肢肌肉无力及早期呼吸衰竭。该突变破坏力学感知复合体，影响肌肉蛋白更新，导致萎缩与无力。

本章个人批注

本章的核心贡献在于把"肌节收缩蛋白"既视为获得性肌肉疾病（如 AQM、癌性恶病质、慢性心衰、COPD、衰老、微重力）的关键靶点，又视为遗传性肌病（粗肌丝侧的 MYH2/7、MYBPC3，细肌丝侧的 ACTA1、TPM2/3、NEB、TTN）的分子基础。Ochala 与 Larsson 将整章组织成"获得性 vs 遗传性"两个并列的板块，再在遗传性板块内按"粗肌丝 → 细肌丝 → titin"展开，符合"由结构中心向外"的认识顺序。

让我印象深刻的几个具体点：(1) ICU 中 AQM 的"肌球蛋白-肌动蛋白比值"作为最敏感诊断标志这一思路具有很高的临床实用性——一个比值比任何单一蛋白的绝对量都更能反映"厚丝-薄丝失衡"的状态；(2) MuRF1/MuRF2 从肌节到肌核再到胞质的序贯定位——这是一种"哪里需要降解就跑到哪里"的细胞空间调控，4 天时窗的时序亦很精确；(3) 大多数 MYH7 突变（无论是 actin-binding interface 的 R403Q/W、nucleotide-binding pocket 的 R453C、converter 的 E706K 等、还是 rod 区域的 L908V 等）影响的是不同的分子功能模块（强结合态时长、ATPase 速率、杆部装配），但都通过 duty ratio 改变这一共同终点来影响细胞水平力生成——这体现了"分子功能模块 → 单一生物物理变量 → 细胞表型"的层级化逻辑；(4) TPM 突变的位点异质性——中部 R133W 改变螺旋稳定性进而限制肌动蛋白结合、N 端 M9R/E41K 则不扰动结合但扰乱钙信号的传递——同一蛋白不同区域突变导致不同机制但相同表型（无力），这是"表型-基因型"对应关系不简单的典型例证；(5) NEB 中第 55 外显子缺失通过缩短细肌丝→减少肌动蛋白-肌球蛋白重叠→降低强结合头数量；第 3/22 外显子跳跃通过减慢横桥循环并限制原肌球蛋白移动——两个机制殊途同归地降低力生成能力；(6) titin 的"心脏 vs 骨骼肌"突变表型分离——多数 titin 心肌病突变不影响骨骼肌，反之亦然——这是组织特异性剪接/启动子使用的一个清晰例子；(7) M-band titin 杂合 vs 纯合：杂合→晚发 Udd 肌病，纯合→严重早发 LGMD2——典型的"剂量效应"在肌病中的体现。

值得反思的几个问题：(a) 本章对 AQM 的动物模型（Dworkin 大鼠模型）极为推崇，但作者亦坦诚"许多实验模型缺失机械通气与长期制动等关键组分"，意味着 AQM 病理生理学的临床转化仍受模型限制；(b) 关于 NEB 第 3/22 外显子跳跃的研究（Ochala 2011）所示"横桥循环速率下降 + 强结合时间缩短 + 原肌球蛋白移动部分受限"三个并存改变，是否彼此独立还是同一缺陷的不同表现，文中未明确阐述；(c) titin 激酶结构域 R279W 突变破坏的是"力学感知复合体"——这一说法较为定性，具体的复合体组分（如 nbr1、p62、TRIM55 等 E3 泛素连接酶）与 titin 激酶之间的物理相互作用强度改变程度未在本章展开，读者需查阅 Lange 2005 原文；(d) 尽管本章标题为"粗肌丝与细肌丝蛋白"，titin 作为"第三根肌丝"被一并纳入——这种归类反映了 titin 在肌节中的结构中心地位，但也意味着"粗肌丝蛋白"与"细肌丝蛋白"的二分法对 titin 并不严格适用；(e) 本章的"获得性"部分强调肌球蛋白/肌动蛋白的选择性丢失，而"遗传性"部分则强调肌球蛋白/肌动蛋白功能改变——两者使用相同的分子框架（粗-细肌丝失衡）但方向相反，前者降量、后者改质，这种对照阅读对理解肌节疾病的"量-质"双重维度非常有帮助。

与上下章的衔接（一段话）

本章是骨骼肌疾病系列中"收缩机器本身"层面的标志性一章。前一章（Ch73）涵盖肌膜与 T 管离子通道（ClC-1、NaV1.4、CaV1.1、Kir2.1/2.6）突变所致肌强直与周期性麻痹——即"如何被激发"的疾病；Ch74 则转向"如何收缩"的疾病——肌球蛋白（粗肌丝）、肌动蛋白/原肌球蛋白/伴肌动蛋白（细肌丝）以及 titin（第三根肌丝）异常所致的获得性与遗传性疾病。Ch74 的一个关键概念贡献是"获得性（蛋白量改变）vs 遗传性（蛋白功能改变）"的对照——两者使用相同的"粗-细肌丝"分子框架但机制方向相反，前者表现为肌球蛋白或肌动蛋白的选择性丢失（AQM、癌性恶病质、慢性心衰、COPD、衰老、微重力），后者表现为突变所致的分子功能障碍（duty ratio 改变、横桥循环异常、细肌丝长度紊乱）。下一章 Ch75 将进入"代谢与线粒体肌病"——即收缩的能量供应侧疾病，从而把"激发（Ch73）→ 收缩（Ch74）→ 能量（Ch75）"这一完整的肌肉生理链条在疾病维度上完整地呈现出来。