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作者：王桂馨副研究員（本院生物醫學科學研究所）

作者2002年自國立陽明大學神經科學研究所獲得博士學位，隨後在本院分子生物研究所及美國貝勒醫學院進行博士後研究，2009年至本院生醫所任職。專注於探討肌強直症在心血管疾病及神經精神疾病的分子致病機轉。

擴張型心肌病變 (Dilated Cardiomyopathy) 是最常見的一種心肌病變，伴隨著心律不整，心臟衰竭及猝死。神經退化性疾病包括，認知能力隨著年紀增長而下降。這兩類疾病在高齡化的社會中，患者的人數逐年增加。研究導致擴張型心肌病變及認知能力下降的成因，有助於未來針對疾病所顯示的症狀進行有效的治療。

肌肉強直症（Myotonic dystrophy）

第一型肌強直症（Myotonic dystrophy type 1, DM1）是最常見於成年期發病的肌肉萎縮症。它的發病率以全世界人口計算，約為1/20000，屬於一顯性遺傳罕見疾病。位在第19對染色體上的DMPK基因（myotonic dystrophy protein kinase，肌強直症蛋白質磷酸根轉移酵素)，其3' 端非轉譯區（3' untranslated region）中的 CTG 重複序列發生異常擴增，因而導致疾病的發生。由於DMPK基因普遍表現於各器官，因此病患受影響的組織範圍很廣，其症狀包括：白內障、漸進性骨骼肌無力、肌肉強直、心律不整、心臟衰竭、內分泌系統失調、生殖系統發育異常、腸胃道疾病、以及神經精神障礙和認知功能受損等。而臨床症狀的嚴重程度，則與擴增片段的多少直接相關。當CTG重複次數隨著遺傳增多則越早發病，重複次數超過 1500 時會導致先天性 DM1，伴隨著高出生死亡率，存活下來的患者則有嚴重的發育遲緩。其特徵為智力發育障礙和嚴重的肌肉無力。長久以來，科學家們致力於找出突變的DMPK基因如何造成上述的臨床症狀。

突變擴增的DMPK基因，經過轉錄反應之後產生帶有許多CUG 重複序列的DMPK 核醣核酸(DMPK expanded CUG mRNA, 簡稱CUGexp mRNA)，此突變的CUGexp mRNA在細胞核內形成穩定不易被破壞的 RNA 聚集體（RNA foci）。CUGexp mRNA 在細胞核內蓄積，使細胞內的其他分子產生了原本所沒有的新功能，或是失去其原有的功能，或是原有的活性被異常增強。目前的研究已知，CUGexp mRNA會破壞至少兩個 RNA 結合蛋白家族的功能：MBNL以及 CELF蛋白 。這兩個蛋白家族的成員在細胞核和細胞質中，負責調節前驅 mRNA（pre-mRNA）的選擇性剪接、轉譯、mRNA 穩定性、mRNA 定位和 RNA 編輯。位於細胞核內的MBNL 蛋白容易與CUGexp mRNA 結合，形成 RNA-MBNL 聚集體，使原本在細胞核細胞質內的MBNL 其分布失去了平衡，因而也失去了其原有的功能。此外，CUGexp mRNA 會誘發蛋白激酶C (PKC) 的活性，PKC過度磷酸化CELF1蛋白，使原本在細胞中表現極少量的CELF1蛋白質的表現量增加，過多的CELF1存在，反而造成了反效果，對細胞產生致命的傷害。雖然我們已知CUGexp mRNA 破壞MBNL及CELF的功能，對於CUGexp mRNA 如何導致臨床所觀察到的不同症狀，所知仍舊十分有限。

雖然DM1是一罕見疾病，但其表現的臨床症狀卻與許多疾病的症狀相似，例如，肌肉萎縮、心臟衰竭、神經退化及精神性疾。這表示，不同的病因或疾病之間，存在有一些共通的路徑 (common pathways)，最終產生相似的臨床症狀。因此，透過研究CUGexp mRNA所導致的致病機轉，同時可能發現與其他疾病共同的路徑。我們的研究結果，將可能廣泛應用於探討其他多種疾病的作用機制。

CELF1表現量上升所致之心律不整及血管稀疏：擴張型心肌病的共通致病機轉

當心臟處於疾病的狀態時，心臟為了適應此狀態，會啟動/活化一群基因的表現，這些基因都是在胚胎時期活躍的基因，但進入成年期之後，這群所謂的「胎兒期基因」其表現量或是活性就會下降。這些胎兒期基因在疾病狀態的成人心臟中再度啟動時，初期是為了代償作用，使心臟維持原本的功能，隨著病期增長，便會啟動另一群胎兒期基因，此時這些胎兒期基因啟動，對心臟功能是幫助或是破壞，所知仍相當有限。

我們的研究發現，在小鼠的心肌細胞表現CUGexp mRNA時，會導致擴張型心肌病變，心律不整，心臟收縮功能下降，血管稀疏，最終引發猝死。此時CELF1的表現量增加，而CELF1是屬於晚期才啟動的胎兒期基因，上升的CELF1具有降解mRNA的能力，使一些控制心臟功能重要的基因其mRNA下降，包括間隙連結蛋白 Connexin 43 (CX43)，負責心肌細胞間的電流傳導及血管內皮生長因子 (VEGFA)，負責血管新生促進血液循環 （如圖一）。利用擴張型心肌病變得小鼠模式，我們也證明相同的致病機轉。若將CELF1事先剔除，則小鼠免於心臟衰竭的結果。因此，我們的研究證明CELF1表現量上升所導致的心律不整及血管稀疏是擴張型心肌病的共同致病機轉。而CELF1 則可以作為治療心臟衰竭的標的。

MBNL2表現量下降伴隨活化發育期之RNA加工模式：神經退化的共通致病機制

神經退化性疾病在病程發展的過程中，不論病因為何，認知功能下降，腦結構改變或萎縮是常見的變化特徵。這表示疾病在發展出退化的特徵時，存在有共同的病理路徑，導致最終出現相似的臨床症狀。為了研究CUGexp mRNA如何造成神經系統的功能退化，我們建立了一個小鼠模式，在小鼠的大腦興奮性神經細胞裡表現CUGexp mRNA。我們發現隨著年紀增加，小鼠出現了神經退化性疾病。疾病小鼠的學習能力變慢，此能的改變是由於神經傳導發生變化。接著神經細胞的型態顯著改變，待神經退化的現象顯著時，同時誘發了RNA 處理模式 (RNA processing)的改變，由成年期的模式轉變為發育時期的模式。我們針對神經退化所引發的「RNA 處理模式」「反轉」的現象進行探討，發現神經細胞功能退化時，會造成鈣離子恆定（calcium homeostasis）失調，細胞內鈣離子濃度增加時會促進半胱胺酸蛋白酶 (calpain-2，鈣蛋白酶-2）從細胞質進入細胞核，進而降解 MBNL2蛋白 ，造成MBNL2蛋白的表現量減少。 MBNL2在成熟的神經細胞中負責 調控 RNA 加工過程，使受調控的基因自發育期的亞型 (isoform) 轉變爲成年期的亞型。

然而，當MBNL2的表現量減少時，會使此一RNA 處理模式中亞型的轉換無法順利發生，反而造成逆轉回發育期的模式 （如圖二所示）。此一「反轉回發育時期的基因調控」現象，與我們在心臟衰竭時所觀察到的現象類似，因此我們推測，此一現象或許也出現在其他的神經退化性疾病。利用兩種普遍使用的阿茲海默症的小鼠模式，模擬「類澱粉蛋白病變」或「Abeta斑塊沉積」，我們也觀察到細胞核內的鈣蛋白酶增加，及MBNL2表現量下降伴隨RNA 處理反轉回發育期的模式。因此我們的研究顯示，「鈣蛋白酶破壞 MBNL2 功能」是神經退化過程中一條共同的病理路徑。

研究罕見疾病的致病機轉及治療藥物的研發是一個漫長的過程，在「發現」真相的過程中我們不斷學習與成長。以精準醫療的角度看待疾病的發生與治療，每一個病患個體都可能是獨立且罕見的案例。肌強直症的臨床症狀與其他的疾病有許多相似之處，透過研究其分子致病機轉，可以進而促進對其他疾病的了解。