中大新聞網訊（通訊員劉春巧）近日，中山大學中山眼科中心劉春巧教授團隊揭示光感受器外段蛋白轉運新機制：Tmem138/Tmem231/Ahi1連接纖毛復合體對Rhodopsin和其他外段蛋白的跨纖毛運輸起至關重要的作用。該研究為視網膜變性疾病如常見的致盲性色素視網膜炎的病理分子機制提供了必要補充，對纖毛病變引起的中樞神經系統腦水腫的分子機制提供了重要的參考。
視覺信息是人和動物賴以生存的重要手段，80-90%外界信息來自視覺。視覺信息的獲取是從光感受器捕獲光子開始。光感受器外段（Outer segment，OS）的膜盤通過視素蛋白捕獲光子并啟動光信號級聯傳導。膜盤每天更新約10%，需要大量脂類和蛋白的合成，但其本身不具有蛋白和脂類的合成能力。光信號通路蛋白元件需要在內段（Inner segment，IS）合成經狹窄的連接纖毛（Connecting cilium，CC）源源不斷地運輸至OS以維持其更新。外段蛋白運輸失敗會導致其在內段堆積，使光感受器細胞出現應激性壞死，并引發視網膜變性疾病如常見的致盲性色素視網膜炎（Retinitis pigmentosa，RP）。據不完全統計，遺傳性RP世界范圍的發病率約為1：4000-5000，影響我國近三十多萬人口，許多RP的突變基因與光感受器纖毛外段的蛋白運輸相關。
盡管已有很多關于纖毛在光感受器外段蛋白運輸的功能研究，但這些研究大都針對纖毛的微管及其關聯的結構蛋白，動力蛋白（motors）和囊泡運輸復合體（IFT）。而關于纖毛膜蛋白在光感受器外段蛋白的運輸作用不清楚。
2022年4月8日，中山大學中山眼科中心劉春巧團隊在美國科學院院刊PNAS上發表研究論文“Tmem138 is localized to the connecting cilium essential for rhodopsin localization and outer segment biogenesis”。該研究首次揭示神經視網膜光感受器纖毛膜蛋白復合體在Rhodopsin和其他外段蛋白運輸中起重要作用，從而為RP的病理分子機制提供了必要補充。該項研究同時對纖毛病變引起的中樞神經系統腦水腫的分子機制提供了重要的參考。
課題組一直關注神經視網膜的發育和遺傳疾病。前期對調控纖毛發育和細胞極性運輸的Wnt/PCP信號通路研究（Guo et al, 2018, IOVS；2019, EXER；2020, IOVS；2020, Development）發現了幾個受其調節的跨膜蛋白。其中Tmem138突變會引起Joubert綜合癥并伴隨視網膜營養不良。為了研究Tmem138突變引發視網膜疾病的分子機理，作者首先制作了Tmem138基因敲除小鼠模型，成功模擬人的Joubert綜合癥的表型，出現了腦室擴張，精子發生障礙及視網膜退行性變性等（圖1）。通過免疫熒光，透射和掃描電鏡的觀察，Tmem138種系缺失導致光感受器OS發生失敗。
圖1：Tmem138缺失導致視網膜退行性疾病
OS發生失敗可能是由于纖毛生物發生、蛋白運輸或OS膜盤的組裝的任何之一或全體缺陷引起。作者首先通過電鏡觀察突變小鼠的OS形成過程證實纖毛結構正常；免疫熒光顯示IFT亞基及其動力蛋白（IFT88、Kif3A）依賴的微管運輸組分定位均未發生明顯改變；膜盤組裝蛋白（Rds/Prominin-1/Prcad）在新生OS相對正常。上述實驗大體排除了纖毛結構和外段膜盤初始發育缺陷的可能。
接下來，作者通過多重免疫熒光的分子標記，區分纖毛外段的不同區域，并通過基因敲除小鼠驗證，確立了Tmem138定位于CC的近端（圖2A-C），并進一步觀測到了突變小鼠CC的遠端Ahi1的定位域的丟失，暗示Tmem138與纖毛胞質蛋白Ahi1關系密切。與此一致，已發表的證據顯示人的AHI1突變也導致Joubert綜合癥且光感受器外段不能發育。這些結果暗示Tmem138膜蛋白很可能與Ahi1一起參與外段蛋白的運輸。在對一系列光轉導信號通路的元件進行檢查后，作者發現Rhodopsin是最先發生異常定位，時間上與外段發育的起始相吻合。
圖2：Tmem138定位于CC及介導Rhodopsin運輸機制
通過免疫共沉淀和光感受器外段蛋白提取物pull down實驗，作者發現Tmem138可以與Ahi1和Rhodopsin直接相互作用。同時發現另一個膜蛋白Tmem231能與Tmem138和Rhodopsin兩兩互作，且Tmem138突變小鼠Tmem231的纖毛膜定位異常。綜合所有證據，作者提出Tmem138/Tmem231/Ahi1連接纖毛復合體對Rhodopsin和其他外段蛋白的跨纖毛運輸起至關重要的作用（圖2D）。該研究是目前唯一闡述常駐性CC膜蛋白在光感受器蛋白運輸過程的論文。
該項目研究得到了國家自然科學基金，廣州市科技創新項目及中山大學百人計劃的支持。中山大學中山眼科中心、眼科學國家重點實驗室為第一單位。郭佃磊博士后和汝佳麗博士是本論文的第一作者，劉春巧和劉奕志兩位教授是本論文通訊作者。
