中大新聞網(wǎng)訊（通訊員劉春巧）近日，中山大學(xué)中山眼科中心劉春巧教授團(tuán)隊(duì)揭示光感受器外段蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)新機(jī)制：Tmem138/Tmem231/Ahi1連接纖毛復(fù)合體對(duì)Rhodopsin和其他外段蛋白的跨纖毛運(yùn)輸起至關(guān)重要的作用。該研究為視網(wǎng)膜變性疾病如常見(jiàn)的致盲性色素視網(wǎng)膜炎的病理分子機(jī)制提供了必要補(bǔ)充，對(duì)纖毛病變引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦水腫的分子機(jī)制提供了重要的參考。
視覺(jué)信息是人和動(dòng)物賴以生存的重要手段，80-90%外界信息來(lái)自視覺(jué)。視覺(jué)信息的獲取是從光感受器捕獲光子開(kāi)始。光感受器外段（Outer segment，OS）的膜盤(pán)通過(guò)視素蛋白捕獲光子并啟動(dòng)光信號(hào)級(jí)聯(lián)傳導(dǎo)。膜盤(pán)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(hào)通路蛋白元件需要在內(nèi)段（Inner segment，IS）合成經(jīng)狹窄的連接纖毛（Connecting cilium，CC）源源不斷地運(yùn)輸至OS以維持其更新。外段蛋白運(yùn)輸失敗會(huì)導(dǎo)致其在內(nèi)段堆積，使光感受器細(xì)胞出現(xiàn)應(yīng)激性壞死，并引發(fā)視網(wǎng)膜變性疾病如常見(jiàn)的致盲性色素視網(wǎng)膜炎（Retinitis pigmentosa，RP）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，遺傳性RP世界范圍的發(fā)病率約為1：4000-5000，影響我國(guó)近三十多萬(wàn)人口，許多RP的突變基因與光感受器纖毛外段的蛋白運(yùn)輸相關(guān)。
盡管已有很多關(guān)于纖毛在光感受器外段蛋白運(yùn)輸?shù)墓δ苎芯浚@些研究大都針對(duì)纖毛的微管及其關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)蛋白，動(dòng)力蛋白（motors）和囊泡運(yùn)輸復(fù)合體（IFT）。而關(guān)于纖毛膜蛋白在光感受器外段蛋白的運(yùn)輸作用不清楚。
2022年4月8日，中山大學(xué)中山眼科中心劉春巧團(tuán)隊(duì)在美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS上發(fā)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(jīng)視網(wǎng)膜光感受器纖毛膜蛋白復(fù)合體在Rhodopsin和其他外段蛋白運(yùn)輸中起重要作用，從而為RP的病理分子機(jī)制提供了必要補(bǔ)充。該項(xiàng)研究同時(shí)對(duì)纖毛病變引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦水腫的分子機(jī)制提供了重要的參考。
課題組一直關(guān)注神經(jīng)視網(wǎng)膜的發(fā)育和遺傳疾病。前期對(duì)調(diào)控纖毛發(fā)育和細(xì)胞極性運(yùn)輸?shù)腤nt/PCP信號(hào)通路研究（Guo et al, 2018, IOVS；2019, EXER；2020, IOVS；2020, Development）發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)受其調(diào)節(jié)的跨膜蛋白。其中Tmem138突變會(huì)引起Joubert綜合癥并伴隨視網(wǎng)膜營(yíng)養(yǎng)不良。為了研究Tmem138突變引發(fā)視網(wǎng)膜疾病的分子機(jī)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(xiàn)了腦室擴(kuò)張，精子發(fā)生障礙及視網(wǎng)膜退行性變性等（圖1）。通過(guò)免疫熒光，透射和掃描電鏡的觀察，Tmem138種系缺失導(dǎo)致光感受器OS發(fā)生失敗。
圖1：Tmem138缺失導(dǎo)致視網(wǎng)膜退行性疾病
OS發(fā)生失敗可能是由于纖毛生物發(fā)生、蛋白運(yùn)輸或OS膜盤(pán)的組裝的任何之一或全體缺陷引起。作者首先通過(guò)電鏡觀察突變小鼠的OS形成過(guò)程證實(shí)纖毛結(jié)構(gòu)正常；免疫熒光顯示IFT亞基及其動(dòng)力蛋白（IFT88、Kif3A）依賴的微管運(yùn)輸組分定位均未發(fā)生明顯改變；膜盤(pán)組裝蛋白（Rds/Prominin-1/Prcad）在新生OS相對(duì)正常。上述實(shí)驗(yàn)大體排除了纖毛結(jié)構(gòu)和外段膜盤(pán)初始發(fā)育缺陷的可能。
接下來(lái)，作者通過(guò)多重免疫熒光的分子標(biāo)記，區(qū)分纖毛外段的不同區(qū)域，并通過(guò)基因敲除小鼠驗(yàn)證，確立了Tmem138定位于CC的近端（圖2A-C），并進(jìn)一步觀測(cè)到了突變小鼠CC的遠(yuǎn)端Ahi1的定位域的丟失，暗示Tmem138與纖毛胞質(zhì)蛋白Ahi1關(guān)系密切。與此一致，已發(fā)表的證據(jù)顯示人的AHI1突變也導(dǎo)致Joubert綜合癥且光感受器外段不能發(fā)育。這些結(jié)果暗示Tmem138膜蛋白很可能與Ahi1一起參與外段蛋白的運(yùn)輸。在對(duì)一系列光轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)通路的元件進(jìn)行檢查后，作者發(fā)現(xiàn)Rhodopsin是最先發(fā)生異常定位，時(shí)間上與外段發(fā)育的起始相吻合。
圖2：Tmem138定位于CC及介導(dǎo)Rhodopsin運(yùn)輸機(jī)制
通過(guò)免疫共沉淀和光感受器外段蛋白提取物pull down實(shí)驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)Tmem138可以與Ahi1和Rhodopsin直接相互作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)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(jù)，作者提出Tmem138/Tmem231/Ahi1連接纖毛復(fù)合體對(duì)Rhodopsin和其他外段蛋白的跨纖毛運(yùn)輸起至關(guān)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(yùn)輸過(guò)程的論文。
該項(xiàng)目研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，廣州市科技創(chuàng)新項(xiàng)目及中山大學(xué)百人計(jì)劃的支持。中山大學(xué)中山眼科中心、眼科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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。
