PNAS:揭示了光感受器外节蛋白转运的新机制

近日，中山大学孙逸仙眼科中心刘春桥教授团队揭示了光感受器外节蛋白转运的新机制：Tmem138/Tmem231/Ahi1连接的纤毛复合体在视紫红质和其他外节蛋白的跨纤毛转运中起着至关重要的作用。该研究为常见盲性视网膜色素变性等视网膜变性疾病的病理分子机制提供了必要的补充，为睫状疾病引起中枢神经系统脑水肿的分子机制提供了重要的参考。

视觉信息是人和动物生存的重要手段，80-90%的外界信息来自视觉。视觉信息的获取始于光感受器捕捉光子。光感受器(OS)外节的膜盘捕获光子，并通过视蛋白启动光信号的级联传输。膜每天更新10%左右，需要合成大量的脂类和蛋白质，但不具备合成蛋白质和脂类的能力。光通路蛋白元件需要在内节(IS)合成，并通过狭窄的连接纤毛(CC)持续运输到OS，以维持其更新。外节蛋白转运失败会导致其在内节积聚，导致感光细胞应激性坏死，并导致常见的视网膜色素变性(RP)等视网膜退行性疾病。世界范围内不完全遗传性RP的发病率约为1: 4000-5000，在中国影响近30万人。RP的许多突变基因与光感受器纤毛外节的蛋白质转运有关。

虽然已经有许多关于光感受器外节中纤毛的蛋白质转运功能的研究，但这些研究大多集中在纤毛的微管及其相关的结构蛋白、马达蛋白和囊泡转运复合物(IFT)。然而，纤毛膜蛋白在光感受器外节的转运尚不清楚。

中山大学中山眼科中心的刘春桥团队在美国科学院学报《PNAS》上发表了一篇研究论文《TMEM 138定位于视紫红质定位和外节生物发生所必需的连接纤毛》。本研究首次揭示了神经视网膜光感受器睫状膜蛋白复合物在视紫红质和其他外源蛋白的转运中起着重要作用，从而为RP的病理分子机制提供了必要的补充。本研究也为睫状病变引起中枢神经系统脑水肿的分子机制提供了重要参考。

该研究小组一直关注神经视网膜和遗传疾病的发展。早期调控纤毛发育和细胞极性运输的Wnt/PCP信号通路研究(郭等，2018，2019，EXER2020年，IOVS；2020，Development)发现了几个由其调控的跨膜蛋白。其中，Tmem138的突变可导致儒贝尔综合征伴视网膜营养不良。为研究Tmem138突变诱发视网膜疾病的分子机制，作者首先制作了Tmem138基因敲除小鼠模型，成功模拟了人类儒贝尔综合征的表型，导致脑室扩张、生精障碍和视网膜变性(图1)。通过荧光、透射和扫描电镜观察，Tmem138菌株的缺失导致了光感受器OS的失效。

图1:1:tmem 138缺失导致的视网膜变性疾病

OS的失败可能由睫状生物发生、蛋白质转运或OS膜盘装配的任何或所有缺陷引起。首先，作者通过电子显微镜观察突变小鼠的OS形成过程，以确认正常的纤毛结构。免疫荧光显示依赖于IFT亚单位及其动态蛋白(IFT88，Kif3A)的微管转运成分的定位没有显著变化。膜装配蛋白(Rds/Prominin-1/Prcad)在新生儿OS中相对正常。上述实验大体排除了睫状结构和外膜盘初始发育缺陷的可能。

接下来，作者通过多重免疫荧光分子标记鉴定了纤毛外节的不同区域，并通过基因敲除小鼠证实Tmem138位于CC的近端(图2A-C)，进一步观察到突变小鼠CC远端Ahi1定位结构域的缺失，提示Tmem138与纤毛细胞质蛋白Ahi1密切相关。与此一致，已发表的证据表明，人类AHI1突变也导致儒贝尔综合征，感光细胞的外节不能发育。这些结果表明Tmem138膜蛋白可能与Ahi1一起参与外部蛋白的转运。在检查了光转导信号通路的一系列元件后，作者发现视紫红质是第一个异常位置，这与外节发育的开始相吻合。

通过光感受器外节蛋白提取物的免疫沉淀和下拉实验，作者发现Tmem138可以直接与Ahi1和视紫红质相互作用。同时发现另一种膜蛋白Tmem231可以与Tmem138和视紫红质成对相互作用，Tmem231突变小鼠的睫状体膜异常。基于所有证据，作者提出Tmem138/Tmem231/Ahi1连接纤毛复合体在视紫红质和其他外部蛋白质的跨纤毛运输中起着至关重要的作用(图2D)。这项研究是唯一一项描述感光蛋白中常驻CC膜蛋白转运过程的研究。

本项目的研究得到了国家、广州市科技创新计划和中山大学百人计划的资助。中山大学中山眼科中心和眼科国家重点实验室为首批单位。郭殿雷博士和茹佳丽博士是本文的第一作者，刘春桥、刘一智两位教授是本文的通讯作者。