2024年，Biogen（渤健）公司宣布其反义寡核苷酸药物Tofersen治疗SOD1突变肌萎缩侧索硬化症（ALS）的三期临床试验达到主要终点。该成果于《新英格兰医学杂志》发布，标志着针对铜锌超氧化物歧化酶1（SOD1）靶点的治疗策略正式迈入临床新阶段，证实通过鞘内给药降低突变SOD1蛋白水平可显著延缓疾病进展。

 

SOD1基因突变是家族性肌萎缩侧索硬化的主要致病因素，其机制研究与治疗策略近年来取得系列突破，一起来解析这个经典靶点的新进展！

 

SOD1是一种由五个外显子编码、含153个氨基酸的高度保守的同源二聚体金属酶。其活性中心依赖铜离子（Cu²⁺）和锌离子（Zn²⁺）维持结构，经典功能是催化超氧阴离子（O₂•⁻）发生歧化反应，生成过氧化氢（H₂O₂）和分子氧（O₂），构成细胞抗氧化防御系统的第一道防线。SOD1主要定位于细胞质，同时在线粒体膜间隙、细胞核及溶酶体中均有分布。
 

一）代谢调控与能量平衡: 细胞代谢重编程关键调节器
 

除经典的抗氧化角色，SOD1还参与细胞代谢的重编程。SOD1通过抑制线粒体电子传递链（ETC）活性来降低细胞耗氧率，并借助酪蛋白激酶信号通路调控底物的磷酸化状态，从而引导能量代谢从氧化磷酸化向糖酵解途径转换。同时，SOD1作为细胞内信号整合节点，将氧分压与葡萄糖浓度变化转化为线粒体超氧化物水平波动，经催化生成过氧化氢作为第二信使，进而调控HIF-1（缺氧诱导因子-1）和AMPK（AMP激活的蛋白激酶）等关键代谢调节因子活性，指导细胞进行代谢适应。

 

二）家族性ALS：SOD1突变驱动的多重毒性级联反应
 

在家族性肌萎缩侧索硬化症（Familial ALS）中，SOD1基因突变是其最主要的致病因素之一。迄今已鉴定出超过155种突变，约占家族性ALS病例的20%。在ALS病理进程中，突变SOD1蛋白通过“毒性功能获得”与“功能丧失”双重机制驱动运动神经元变性。

 

SOD1在ALS中的“功能丧失”与“毒性功能获得”恶性循环模型 图源Is SOD1 loss of function involved in amyotrophic lateral sclerosis?

 

基因突变破坏SOD1构象稳定性，导致β桶状结构解折叠形成淀粉样纤维聚集体，使其丧失催化超氧阴离子歧化的抗氧化功能，并异常累积于线粒体膜间隙。在线粒体内，突变蛋白与电压依赖性阴离子通道（VDAC1）异常互作，诱导线粒体膜通透性转换孔（mPTP）开放，导致膜电位崩解及细胞色素c释放；同时，内质网中累积的未折叠蛋白激活未折叠蛋白反应（UPR），触发内质网应激凋亡。酶活性丧失与蛋白聚集进一步导致谷氨酸转运体GLT1功能受损，引发突触间隙谷氨酸浓度升高及NMDA受体介导的钙离子内流超载，并干扰动力蛋白介导的逆向轴浆运输。此外，异常聚集体激活小胶质细胞NLRP3炎症小体，促进IL-1β释放，活化的星形胶质细胞分泌TNF-α、NO等毒性因子，共同形成神经炎症微环境，最终导致运动神经元进行性死亡。

 

基因治疗
 

反义寡核苷酸（ASO）技术：ASO是短链合成DNA分子，可与特定mRNA结合，通过RNase H介导的降解机制降低目标mRNA水平。在ALS治疗中，ASO被设计靶向突变SOD1 mRNA，减少毒性蛋白的产生。例如，Tofersen已获批用于治疗SOD1突变的ALS患者，通过鞘内注射减少毒性蛋白。Jacifusen（靶向FUS突变）在临床试验中也显示出一定的疗效。

 

反义寡核苷酸等靶向RNA疗法示意图 图源：CellPress
 

基因编辑治疗：基因编辑技术可靶向切除突变SOD1基因。体外实验和动物模型研究均表明，该技术可有效减少突变SOD1表达，且对野生型SOD1影响较小，显示出一定的治疗效果。

 

 

小鼠模型
 

SOD1^−/−小鼠：表现为进行性肌萎缩和运动功能障碍，在12-16月龄出现明显的运动神经元丢失。该模型主要用于研究SOD1功能丧失导致的氧化应激损伤机制，特别是在年龄相关的神经退行性变化和肝细胞癌发生中的作用。
 

SOD1^G93A小鼠：研究家族性ALS的标准模型，其在3-4月龄出现后肢瘫痪症状，平均生存期为4-5个月。该模型可重现人类ALS的主要病理特征，包括运动神经元变性、线粒体功能障碍和神经炎症反应，广泛应用于治疗药物的临床前评价。
 

SOD1人源化小鼠：将小鼠内源性的Sod1基因替换为人类SOD1基因，正常表达具有完整酶活性的人源SOD1蛋白，且不表现出明显的运动功能障碍或神经退行性病变，主要用于评估靶向人源SOD1的基因治疗策略的体内有效性与安全性。

 

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参考文献：

1、Saccon RA, Bunton-Stasyshyn RK, Fisher EM, Fratta P. Is SOD1 loss of function involved in amyotrophic lateral sclerosis? Brain. 2013 Aug;136(Pt 8):2342-58. doi: 10.1093/brain/awt097. Epub 2013 May 17. PMID: 23687121; PMCID: PMC3722346.

2、Papa L, Manfredi G, Germain D. SOD1, an unexpected novel target for cancer therapy. Genes Cancer. 2014 Apr;5(1-2):15-21. doi: 10.18632/genesandcancer.4. PMID: 24955214; PMCID: PMC4063254.

3、Kim G, Gautier O, Tassoni-Tsuchida E, Ma XR, Gitler AD. ALS Genetics: Gains, Losses, and Implications for Future Therapies. Neuron. 2020 Dec 9;108(5):822-842. doi: 10.1016/j.neuron.2020.08.022IF: 15.0 Q1 . Epub 2020 Sep 14. PMID: 32931756; PMCID: PMC7736125.

4、Bonafede R, Mariotti R. ALS Pathogenesis and Therapeutic Approaches: The Role of Mesenchymal Stem Cells and Extracellular Vesicles. Front Cell Neurosci. 2017 Mar 21;11:80. doi: 10.3389/fncel.2017.00080. PMID: 28377696; PMCID: PMC5359305.