衣藻_纤毛与_纤毛相关疾病_

中国科学 C辑:生命科学 2008年 第38卷 第5期: 399 ~ 409 www.scichina.com life.scichina.com

《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

衣藻、纤毛与“纤毛相关疾病”

潘俊敏

清华大学生物科学与技术系, 北京 100084 E-mail: [email protected]

收稿日期: 2008-03-11; 接受日期: 2008-03-21

国家自然科学基金(批准号: 30671090和30771084)和国家重点基础研究发展计划(批准号: 2007CB914401)资助项目

摘要 纤毛或鞭毛(两个名称在本文互为通用)是以细胞微管为核心而组装形成的一种细胞器官. 运动纤毛在细胞运动中起的作用是显而易见的, 比如精子的运动: 近年来发现, 曾被认为是退化器官的不动原生纤毛在动物发育和各种生理器官的正常生理活动中起着重要作用. 原生纤毛具有调控细胞分裂, Hedgehog信号通路, 非经典Wnt信号通路及钙信号传导等的作用. 纤毛及其附属结构在结构或功能上的缺陷会导致多种多样的疾病, 总称为“纤毛相关疾病”, 包括男性不育症、呼吸道疾病(如不动纤毛综合征、肾囊肿、失明、多指(趾)症、内脏转位、肥胖症、高血压乃至精神发育迟滞等. 纤毛在结构和功能上是非常保守的, 我们目前对纤毛的结构与功能的认识和对“纤毛相关疾病”发生机理的了解主要来自于对各种模式生物的研究, 其中包括具有研究优势的模式生物—雷氏衣藻(Chlamydomonas reinhardtii, 一种单细胞 绿萍). 对纤毛的进一步研究将深化人们对“纤毛相关疾病”的认识、促进对它的诊断、预防和治疗. 本文对衣藻、纤毛及“纤毛相关疾病”的研究进展作一简短概述.

关键词

衣藻(Chlamydomonas) 纤毛 鞭毛 纤毛相关疾病 鞭毛内运输

纤毛与真核生物的鞭毛是一种细胞表面突起的亚细胞结构, 主要由细胞微管组成, 如精子的鞭毛和呼吸道上皮的纤毛. 它们不同于细菌的鞭毛, 后者是由鞭毛蛋白形成的螺旋状微丝组成的. 纤毛和真核生物鞭毛是由于历史原因所造成的命名上的区别, 实际为同一器官的不同名称. 通常来讲, 如果它们在一个细胞中的数目较多且较短, 就被称为纤毛: 反 之, 如果它们的数目较少且较长, 则被称为鞭毛. 基于纤毛与鞭毛在结构和组装机制上的相同性, 目前, 纤毛和真核生物的鞭毛这两个名称互为通用.

纤毛是一种非常保守的细胞器官, 从原生生物到脊椎动物细胞都存在. 在脊椎动物成体中几乎所有的细胞都具有纤毛[1], 而且它也存在于正在发育的动物胚胎[2]及体外培养的哺乳动物细胞如NIH3T3,

MDCK[3,4]. 纤毛出现在真核生物进化的早期, 最早的真核生物的祖先—一种单细胞的真核生物具有纤毛[5]. 纤毛的存在为单细胞真核生物在水生环境 中提供了运动的可能, 这为单细胞生物的觅食、交配、避离敌害等提供了保障. 在生物从水生向陆生演化的过程中, 不少生物完全失去了纤毛或仅在某些细胞中保留有纤毛. 如高等植物中的被子植物完全丧失了纤毛, 而低等陆生植物如苔藓、蕨类和某些裸子植物仅在精子或配子细胞中保留有纤毛: 此外, 多数真菌也完全丧失了纤毛, 这包括常用的模式生物如芽殖酵母(Saccharomyces cerevisiae)和裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)[6]. 纤毛在动物细胞中被保留了下来, 这与动物细胞生存所需的水环境、动物复杂的发育过程和生理器官的正常功能是分不开

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的. 根据运动与否, 纤毛可以分为两大类: 运动纤毛和不动纤毛. 运动纤毛在细胞本身的运动和移动细胞周围的液体或细胞方面起着重要的作用. 近年来发现, 不动纤毛在调控动物的发育和各种生理器官的正常功能方面起着不可缺少的作用. 因此, 利用各种模式生物加强对纤毛的研究对人们的健康有非常重要的意义.

接丝(nexin)相连. 每个双连体微管由一个完整的A微 管(13个原丝)和一个不完整的B微管(10个原丝)组成. 沿着A微管分别有序地排列着外动力臂、内动力臂和辐条结构(radial spoke), 这些蛋白质结构调控着纤毛的运动. 外动力臂提供纤毛摆动的动力, 控制着纤毛摆动的频率: 内动力臂、辐条结构和中央微管协同调控纤毛摆动的波形大小和形状.

人体多数细胞中长有一根纤毛, 它们是不动的, 称为不动纤毛(immotile cilia)或原生纤毛(primary cilia). 不动纤毛不具有这些和运动相关的蛋白质结构包括外动力臂、内动力臂、辐条结构以及中央微管. 因为运动纤毛具有9个外围双连体微管和两个中央微管, 它们被称为‘9+2’型纤毛, 而不动纤毛缺少两个中央微管, 因此被称为‘9+0’型纤毛.

在纤毛的顶端有一个被称为“鞭毛帽子复合体”(flagellar cap complex)的结构[7], 它通过丝状结构向下和中央微管相连, 向上同纤毛顶端的纤毛膜相连: 此外, 双连体微管中的A微管也有丝状结构与纤

1 纤毛的结构

不同细胞类型或生物个体中纤毛的长度不同, 从几个微米到2个毫米不等(如一些昆虫精子的鞭 毛), 但是直径相似, 约0.25 μm. 纤毛由3部分组成: 纤毛膜、基质和轴丝(axoneme)(图1). 纤毛膜与细胞膜相通连, 但是它们的膜蛋白组分不同, 基质主要是由一些可溶性的蛋白组成, 包括用于纤毛组装和发生周转的蛋白, 轴丝是由细胞微管和附属蛋白结构组成的. 一个典型运动纤毛的轴丝具有外围的9个双连体微管和一对中央微管. 相邻的双连体微管由连

图1 运动纤毛和基体的结构示意图

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毛顶端的纤毛膜相连接. 目前, 这些蛋白质结构的组成和功能不详. 由于纤毛的组装和解聚都发生于纤毛的顶端, 因此, 这些结构有可能参与了纤毛的组装和解聚过程.

在纤毛的基部有一个被称为基体(basal body)的结构, 它主要由9个三联体的细胞微管组成, 与形成纺锤体的中心粒是同源结构. 纤毛中的双连体微管与基体中的A, B微管相连通. 在基体顶端长有伸向外周纤毛膜的蛋白质纤维结构—过渡纤维(transit- ion fiber), 这种结构可能类似于核膜孔, 参与调控蛋白质进出纤毛[8]. 从基体顶端到中央微管的区域被称为过渡区, 过渡区的中央有1个桶状和一个管状结构上下排列, 从纵切面上看, 呈现一个“H”型形状[9](图1). 过渡区的功能目前了解得不是十分透彻. 由于在过渡区的顶端形成中央微管, 它可能参与了中央微管的形成: 此外, 纤毛断失(deflagellation)发生于过渡区的顶端, 它也可能兼有调控纤毛断失的功能.

2 纤毛的功能

纤毛是作为细胞运动或信号传导器官而行使功能的.

2.1 纤毛的细胞运动功能

纤毛移动细胞本身或细胞周围的液体, 参与多种生命活动. 在哺乳动物生殖过程中, 精子和卵子的运动离不开纤毛, 精子靠本身的鞭毛而运动, 而卵子的移动则通过输卵管上皮细胞纤毛的摆动, 最终精子和卵子在靠近子宫颈口的输卵管相遇, 结合而实现受精过程. 鼻腔、鼻窦和气管的上皮细胞长有数量众多的纤毛, 通过纤毛的摆动, 细菌和灰尘被排出体外或排至消化道中予以消除. 脑腔中存在有循环流动的脑脊髓液, 这种流动依赖于脑腔上皮细胞纤毛的运动. 此外, 在脊椎动物胚胎发育中, 胚节(node)的上皮细胞长有单根的原生纤毛, 它不同于其他不动原生纤毛, 具有动力臂, 是可以运动的. 胚节纤毛的运动所导致的液流方向决定了动物内脏的左右不对称分布[10]. 目前有两种理论解释纤毛对动物体轴左右不对称性的调控, 一种是“两种纤毛”(two cilia)理论, 即是说, 胚节存在有两种不同的纤毛, 底部的纤毛是可以运动的, 胚节周围的纤毛是不动的: 当纤

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毛的运动所导致的液体的流动冲击胚节另一侧不动的纤毛时, 引起不动纤毛的机械信号传导, 从而诱导调控体轴左右不对称性的基因表达[11], 形成左右不对称性. 另一种是形态素理论, 认为胚节周围的细胞分泌一种形态素, 纤毛的运动导致形态素流向胚节的另一侧, 从而诱导特定基因表达, 造成体轴的左右不对称性[12].

2.2 纤毛的信号传导功能

作为信号传导的器官, 纤毛首先是参与了动物的感知功能. 我们的视觉、听觉和嗅觉都离不开纤毛. 这些纤毛都是特异化的纤毛, 执行特殊的功能. 视网膜视锥细胞或视杆细胞的外段与内段是由特异化的纤毛所连接; 位于外段的视色素蛋白每天以10%的速度快速周转, 内段中合成的蛋白需通过特异化的纤毛运输到外段去补充丢失的蛋白. 嗅觉的传递是通过嗅觉神经轴突上的纤毛, 嗅觉纤毛上存在有大量的嗅觉受体. 在听觉纤毛细胞的发育过程中, 动纤毛(kinocilium)在组织听觉纤毛(一种由微丝组成的结 构)有序排列上起着重要作用, 而正常的听觉纤毛的排列对听觉是不可缺少的[13,14].

近年来发现, 在人体多数细胞中存在的不动原生纤毛不是一个退化的器官, 而是具有信号传导的作用, 它影响动物的发育和各种器官的正常生理活动. 已发现多种多样的受体和离子通道位于纤毛上, 而且几种信号传导通路都依赖于纤毛.

原生纤毛参与了PDGF介导的信号传导通路. PDGF调控细胞的增殖过程, PDGF α受体位于成纤维细胞的原生纤毛上, 加入生长因子后激活MAPK信号通路, MEK1/2 的磷酸化均发生于纤毛上[15].

有多种证据表明, 原生纤毛参与了Hedgehog信号通路. Hedgehog信号通路通过调控目的基因的表达而左右多种动物组织和器官的发育. Hedgehog蛋白的受体Patched1位于原生纤毛上, 阻止了Smoo- thened在纤毛中的积累与激活, 信号通路处于失活状态; 当Hedgehog蛋白与受体Patched1结合后, Patch- ed1离开纤毛, 允许Smoothened在纤毛中的积累, 从而激活下游的信号传导因子[16], 诱导基因表达. 此 外, 影响纤毛形成或纤毛结构的基因突变导致Hedgehog 信号通路中断[17~19]. 这些证据充分说明了

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纤毛和Hedgehog 信号通路的密切联系.

平面细胞极性通路(PCP, 又称非经典Wnt信号通路)和纤毛密切相关. Inversin是PCP通路的一个关键调控蛋白. Inversin的基因突变影响体轴左右的不对称性并导致肾囊肿的形成, 类似于纤毛功能缺失造成的表型

[20]

3 细胞周期与纤毛的相互关系

原生纤毛的存在和细胞分裂呈现一种负相关性. 即在细胞分裂结束后(细胞间期), 中心体上的中心粒演变成基体, 由基体组装细胞微管而形成纤毛: 在细胞分裂时, 纤毛解聚, 基体转变为中心粒参与纺锤体的形成(图2). 对于具有单根原生纤毛的脊椎动物细胞来说, 仅其中一个“老”的中心粒转变形成基体而最终形成单根的原生纤毛; 对于衣藻Chlamydomonas, 两个中心粒都演变成基体, 最终形成两根纤毛. 在所有单细胞以及非脊椎模式生物中, 这种发生在细胞周期的纤毛基体和中心粒相互转换过程仅存在于衣藻, 因此, 利用单细胞模式生物研究纤毛基体和中心粒的互相转换, 衣藻是唯一的选择[26].

多种证据表明, 纤毛可能具有调控细胞分裂的作用. 这可以通过下面两个方面的机制来实现: (ⅰ)纤毛作为细胞分裂的机械限制因子(mechanical con-straint)影响纺锤体的形成和纺锤体的极性; (ⅱ)纤毛信号传导调控细胞分裂. 首先, 在细胞间期, 原负责形成纺锤体的中心粒演变为基体参与纤毛的形成, 而被纤毛限制在细胞膜的内侧. 在下次细胞分裂时,

; 而且Inversin存在于原生纤毛中(但

[21]

没有在运动纤毛中发现). PCP通路的另一个蛋白

Vangl2 也定位于原生纤毛中, 它并与影响纤毛组装的BBS(Bardet-Biedl Syndrome)蛋白结合, BBS基因或IFT88基因(另一种影响纤毛组装的基因)的突变都中止PCP通路信号传导[22,23].

肾脏肾小管中的机械信号介导的钙离子信号传导通路也离不开纤毛. 跨膜蛋白多囊蛋白-1(polycystin-1)和多囊蛋白-2形成一个离子通道, 参与肾小管中液体流动所产生的机械信号传导作用. 它们所调控的钙离子信号对维持肾脏的稳态是至关重要的[24]. 在其他组织的原生纤毛上也发现有多种受体, 比如, 生长抑素受体(somatostatin receptor) SST3和五羟色胺受体(serotonin receptor) 5-HT6位于大脑中. 这些受体的存在暗示着纤毛在信号传导中发挥着重要的作用[25].

图2 细胞周期中原生纤毛的组装和解聚

在细胞分裂完成后, 子细胞中的“老”中心粒分化为纤毛基体, 并在其上形成细胞微管进而形成原生纤毛. 这样基体被纤毛和基体的过渡纤维固着在细胞的外围. 在下次细胞分裂时, 纤毛解聚以利于基体转变为中心粒参与纺锤体的形成以及纺锤体的正确定位. 灰色圆形结

构为细胞核, 长棒状结构为纤毛, 短棒状结构为基体, 基体周围的丝线结构为细胞微管, 麻花结构代表染色体

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纤毛需要解聚以利于中心粒形成纺锤体; 同时有助于中心粒自由运动, 以保证纺锤体的取向而调控细胞的极性[27]. 目前已发现影响细胞分裂的aurora kinase参与了细胞分裂前的纤毛解聚[28], 这和早期在衣藻中发现aurora-like kinase CALK调控鞭毛解聚的结果是一致的[29]. 其次, 在衣藻中, 影响纤毛解聚的蛋白激酶FA2同时也影响细胞周期[30]. 有多种证据表明, 纤毛可以通过信号传导调控细胞的分裂. 人们发现NIH3T3的纤毛上存在有PDGF受体, 与生长因子结合后, 激活MAPK信号途径[15]; 在海胆(Echinoidea)细胞分裂时, 参与纤毛形成的IFT驱动蛋白的亚基KAP迁移到细胞核中[31]; 肾囊肿性肾脏病是由肾小管表皮细胞纤毛的功能缺陷造成的, 纤毛失去正常功能后, 引起细胞分裂失控形成肾囊[32].

4 “鞭毛内运输”及纤毛的组装和解聚

“鞭毛内运输”(intraflagellar transport, 简称IFT)是发生于纤毛轴丝和纤毛膜之间从纤毛基部到顶端的一种蛋白质复合体的双向运输过程[33,34]. IFT是首先在衣藻中利用微分干涉摄像技术观察到的[35]; 随后, 利用绿色荧光蛋白标记IFT马达蛋白或颗粒蛋 白, 也可观测到它们在纤毛中的运动[36,37]. 从纤毛基部到顶端的运动—顺向运输(anterograde transport)由驱动蛋白-2(kinesin-2)提供动力, 运动速率约为2 μm/s; 而从纤毛顶端到基部的运动—逆向运输(retrograde transport)是由细胞质动力蛋白(cytoplasmic dynein Dhc1b)驱动, 运动速率约为3.5 μm/s. 运动的蛋白复合体被称为IFT颗粒(IFT particles), 由15~17个多肽组成, 可分为蛋白质复合体A和B; 巴德-毕氏综合征(Bardet-Biedl syndrome, BBS)蛋白具有协调蛋白质复合体A和B之间联系的功能[37]. 已有证据表明蛋白质复合体B在顺向运输中起关键作用, 而蛋白质复合体A在逆向运输中起关键作用[38].

IFT对纤毛的组装、维持和解聚都是必须的[33,34]. IFT颗粒把形成纤毛的前体蛋白如微管蛋白运输到纤毛的顶端进行纤毛的增长或维持, 把解聚或周转的蛋白运送到细胞体中. IFT马达蛋白或颗粒蛋白的缺陷将限制形成新的纤毛, 亦可造成已形成的纤毛发生缩短解聚. IFT是一种非常保守的机制, 从原生生

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物到哺乳动物中几乎所有的纤毛形成和维系所需的蛋白运输都是通过IFT来完成的, 目前发现的例外是疟原虫和果蝇精子鞭毛的形成[39,40]. 此外, IFT也参与了纤毛信号传导过程[41].

IFT的双向运输可以人为地分为几个阶段[42]: 在细胞体中装载或下卸货物(cargo loading); 进入纤毛并运输到纤毛顶端; 在纤毛顶端装载或下卸货物(cargo unloading), 转换马达蛋白; 从顶端运输到纤毛基部, 再进入细胞体. 因此, 调控IFT有几个关键的步骤: 货物的装载和下卸, 马达蛋白的转换, IFT从纤毛中的进出. 研究表明细胞中存在有一种调控货物装载和下卸的机制, 但是, 货物是如何装载和下卸 的, 又是如何调控的都不清楚. 此外, 人们对马达蛋白的转换及IFT从纤毛中进出的机制也一无所知. 这些都是将来研究的热点.

5 衣藻是最为广泛使用的研究纤毛的模式

生物

纤毛在结构和组装机制上的保守性使得科学工作者能够使用不同的模式生物研究纤毛. 用于研究纤毛的模式生物包括衣藻、四膜虫(Tetrahymean)、锥体虫(Trypanosome)、线虫(C. elegans)、斑马鱼(Brachydanio rerio)和小鼠(Mus musculus), 其中衣藻是最为广泛

图3 雷氏衣藻的微分干涉图像

一个具有两根等长纤毛的单细胞绿藻, 细胞体的直径大约10 μm,

鞭毛长度大约12 μm

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使用的一个. 衣藻是单细胞的绿藻, 有两个配对型mt+和mt−, 细胞具有一个直径约为10 μm的细胞体和两根约12 μm的等长鞭毛(图3). 它的生活史简单, 通常以单倍体的营养细胞生活, 细胞依赖有丝分裂进行增值; 当进行有性生殖时, 营养细胞分化成为配子, mt+和mt−配子融合发育为合子; 合子经过成熟、休眠后进行减数分裂产生4个子细胞, 新的生活史重新循环进行(图4).

我们关于纤毛的知识大多来自于对衣藻的研究, 比如, 我们对纤毛结构的了解; “鞭毛内运输”的机制的发现[35,43,44]; 不动纤毛综合征遗传基础的确定(来自于对衣藻运动突变体的研究)[45]; 以及多囊肾病和纤毛关系的揭示(通过对衣藻纤毛组装突变体ift88的研究)[46]. 这些成果都是和衣藻独特的研究价值分不开的. 因此, 继续对衣藻的研究, 将会促进我们深刻了解和认识纤毛组装和解聚的分子机制, 揭示“纤毛相关疾病”发生的分子机理. 衣藻的研究优势有以下几个方面: (ⅰ) 细胞培养的优势: 衣藻培养简单, 细胞繁殖快, 在光照下细胞在无机质配制的液体培养基中可以生长, 最快的生长速率可以达到每天4代; (ⅱ) 实验系统的优势: 衣藻的纤毛相对较长, 容易观察分析; 纤毛在实验室的条件下可以去除, 细胞能够再生形成新的纤毛, 且纤毛的生长同步化; 纤毛的

解聚缩短也可以在实验室诱导条件下同步进行; 这为研究纤毛的组装和解聚过程提供了方便; (ⅲ) 生化上的研究优势: 因为细胞可以大量简单繁殖, 且纤毛相对较长, 纤毛容易分离, 这为分离纤毛进行纤毛的生化分析提供了保障; (ⅳ) 经典遗传的优势: 衣藻的正常生长状态是以单倍体存在的, 像酵母一样, 容易进行突变体筛选, 并且可以进行经典的四分体遗传分析, 因此, 衣藻又被称为绿色酵母; (ⅴ) 同其他模式生物一样, 衣藻可以进行转基因, 进行小RNA干扰, 进行活体荧光观察等; (ⅵ) 丰富的研究资源: 美国的衣藻中心, 保存有野生型和各种纤毛突变体, 提供大家使用; 衣藻的基因组已经完成; 衣藻的cDNA文库, 基因组文库, 基因组芯片都已经建立并可索取.

6 纤毛相关疾病

由于处在胚胎发育过程中的细胞具有纤毛以及人的成体中几乎所有的细胞均具有纤毛[1], 基于纤毛在细胞运动和信号传导上的重要性, 不难想象, 纤毛在结构或功能上的缺陷会造成人体的畸形发育并导致多种器官的疾病. 所有由纤毛或其基体缺陷导致的疾病可统称为“纤毛相关疾病”.

6.1 与运动纤毛相关的疾病

纤毛不动综合征(PCD)、Kartagener 综合征、男

图4 雷氏衣藻的生活周期

衣藻有两种细胞类型mt+和mt−(图中以“+”或“−”符号表示), 生活史的大部分时间以单倍体的营养细胞存在

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性不育及脑积水等疾病同运动纤毛相关. 纤毛不动综合征的主要特征是呼吸道系统包括气管、支气管、 鼻腔、鼻窦等器官的纤毛是不动的. 得此病的病人通常发生周期性的鼻窦炎、支气管炎乃至肺炎. 这是因为在正常呼吸过程中, 被吸入空气中的细菌会感染呼吸道中分泌的黏液, 如果这些感染的黏液不能及时地由运动纤毛排出, 将会造成呼吸道系统的感染. 在纤毛不动综合征的病人中, 目前发现有3种基因发生了突变: DNAH5, DNAH11和DNAI1. 这3种基因都是编码了组成纤毛轴丝动力蛋白臂中的蛋白. 有些患有纤毛不动综合征的男性病人, 还伴随有不育及内脏转位. 具有这3种病症的疾病称为Kartagener 综合征

[47]

. 有些患有纤毛不动综合征的病人还发生脑

积水. 脑积水的发生也是脑中运动纤毛不能正常运动引起的. 有证据表明脑室中运动纤毛的运动所驱动的脑脊髓液的循环流动对维持第3和第4脑室之间的通道是必须的

[48]

.

6.2 与感知纤毛相关的疾病

如前所述, 人类的3大感知功能都离不开纤毛, 因此, 纤毛的缺陷会导致与感知相关的疾病. 纤毛的缺陷会导致光感受器细胞外段中的视色素蛋白不能得到及时补充而造成感受器细胞凋亡, 导致视力下降乃至失明

[49]

. 视网膜色素变性症是一种常见的眼

科疾病, 它的特征是视网膜中光感受器细胞逐渐衰退, 最终眼睛失明. 有3种基因的突变发现在视网膜色素变性症的患者中, 它们分别编码视网膜色素变性蛋白1(RP-1), 视网膜色素变性G蛋白调控因子 (RPGR)以及RPGR结合蛋白(RPGR-IP). 这些蛋白都被发现位于光感受器中特异化的纤毛或基体中[50].

人类的嗅觉依赖于嗅觉神经末端的纤毛, 嗅觉纤毛的缺陷可导致嗅觉丧失, 已发现嗅觉丧失患者细胞的纤毛数量下降

[51]

. 有些BBS患者具有不同程

度的嗅觉丧失. 研究发现, 在BBS1或BBS4基因敲除掉的老鼠中嗅觉纤毛数目降低[52].

6.3 与原生纤毛相关的疾病

(1) 肾囊病(cystic kidney disease). 每个肾脏是由上百万个肾单位组成, 经过肾单位中的肾小体过滤后的液体经由肾小管最终汇集到输尿管排出体外. 肾小管的上皮细胞长有不动的原生纤毛, 液体的流

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动刺激纤毛产生机械信号传导从而维持肾脏的稳态, 保证肾脏正常的结构和功能. 纤毛的缺陷会导致纤毛机械信号传导中断, 致使细胞分裂失控, 造成细胞过量增值形成肾囊. 目前发现有两类多囊肾病: 常染色体显性突变型和常染色体隐性突变型. 前者主要是由多囊肾病基因-1(PKD1)或多囊肾病基因-2 (PKD2)突变造成的, 这两个基因编码的蛋白分别为多囊蛋白-1(polycystin-1)和多囊蛋白-2(polycystin-2); 后者是由多囊肾肝病基因-1 (PKHD1)突变产生的, 该基因编码的蛋白为纤维囊蛋白(fibrocystin). 多囊蛋白-1(polycystin-1)和多囊蛋白-2 都是多跨膜蛋白, 定位于原生纤毛上, 它们共同行使非选择性的阳离子通道的作用, 肾小管中液体的流动激活该离子通道. 目前对纤维囊蛋白的功能了解尚不深入. 在肾囊肿患者中往往发现在肝脏或胰脏中也有囊的形成[53]. 另外一种也产生肾囊的疾病是肾消耗病 (NPHP), 这种疾病多发生在儿童和青少年中. 该病是由常染色体隐性突变造成的, 目前发现有6个致病基因, 分别是NPHP1-6, 这些基因的蛋白产物位于纤毛或纤毛的基体上[54].

(2) 巴德-毕氏综合征. BBS是一种由不同基因突变所造成的具有多种症状的疾病, 有12种致病基因, 分别为BBS1~12[55]. BBS患者的症状包括视网膜衰退、肾囊形成、多指 (趾)症、嗅觉失敏、高血压、肥胖症乃至精神发育迟滞症等[56]. BBS和原生纤毛功能缺失有关. 近年研究发现BBS蛋白位于纤毛或基体, 它们参与了纤毛的组装过程和信号传导过程. 在衣藻中, 抑制BBS5的表达, 纤毛将不能形成. 在线虫中, BBS蛋白是连接和协调“鞭毛内运输”蛋白颗粒中的蛋白质A和B复合体, 是纤毛形成所必需的[37]. 在哺乳动物细胞中, 7个BBS蛋白形成复合体调控纤毛膜的发生[57]. 最近发现, BBS蛋白对G-蛋白偶联受体在纤毛上的定位有关[58].

(3) 一些稀有的与纤毛相关的综合征. 一些罕见的综合征目前也发现和纤毛或纤毛基体相关. 阿氏综合征(Alstrom syndrome)的特征是失明、肾功能衰竭、失聪及糖尿病. 它是常染色体单基因ALMS1隐性突变造成的. ALMS1定位于中心粒和纤毛基体[59], ALMS1基因敲除鼠的肾脏仅形成短小的纤毛[60], 这些证据说明了阿氏综合征和纤毛有着密切的关系.

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莫克-格伯综合征(Meckel-Gruber syndrome)的患者具有大脑发育异常、肾囊和多指(趾)症状, 它是常染色体隐性突变引起的. 有3个基因MKS1-3与此相关, 其中MKS1和MKS3基因得到了鉴定. 一系列的证据表明该综合征和纤毛相关, 在衣藻纤毛蛋白组发现MKS1蛋白存在; 在线虫中与MKS1和MKS3同源基因的启动子含有和调控纤毛发生的转录因子DAF-19相结合的特异序列(x-box)[61]. 此外, MKS1被定位于纤毛基体上、MKS3被定位于纤毛上, RNAi干扰二基因的表达抑制了纤毛的发生, 这与纤毛形成时中心粒不能迁移有关[62]. 口-面-指(趾)Ⅰ型综合征(Oral-facial- digital typeⅠsyndrome) , 顾名思义, 患者具有口腔、面部畸形并具有多指(趾)症状. 该综合征是OFD1基因突变造成的. OFD1蛋白位于中心粒和纤毛基体[63]: ODF1基因敲除鼠不能够形成胚节纤毛和肾小管原生纤毛[64]. 眼-肾综合征(Senior-Loken syndrome)发生于青少年, 主要特征是由于肾囊形成而造成的肾功能衰竭和渐进失明. 该病和肾消耗病密切相关, 产生肾耗病的NPHP5基因的突变也造成眼-肾综合征[65]. 邱伯特综合征 (Joubert syndrome) 主要是一种神经疾病, 患者小脑蚓部和脑干部分发育异常, 缺乏肌肉控制力, 眼睛和舌头运动异常. 此外, 有些病人有多指(趾)、唇

裂现象. 该病也和引起肾消耗病的基因相关, NPHP6基因和RPGRIP1L基因(它的产物是NPHP4蛋白的结合蛋白)的突变都会引起邱伯特综合征[66,67].

7 展望

人体中存在的多种“纤毛相关疾病”充分证明了纤毛对人类健康的重要性. 目前, 人类距离“纤毛相关疾病”的预防、诊断和治疗还有很大的距离, 这在一定程度上归咎于我们在分子水平上还未能对纤毛的形成与调控以及“纤毛相关疾病”的发病机理形成一个清晰的认识. 例如, 我们对“鞭毛内运输”调控机制的了解几乎是空白, 我们不清楚鞭毛颗粒蛋白复合体是如何装载和下卸货物的, 马达蛋白的活性又是如何调控的; 对于纤毛解聚和细胞周期的相互调控关系, 我们的认识也非常有限的. 许多“纤毛相关疾病”的发病机理也是不清楚, 比如, 巴德-毕氏综合征是由于BBS基因突变造成纤毛或基体的缺陷或异常而引起的, 为什么病人会伴随有高血压乃至肥胖症? 继续利用多种多样的模式生物包括衣藻所进行的基础研究无疑会对诸多这样的问题给与答案. 这些研究成果必将对“纤毛相关疾病”的预防、诊断和治疗提供理论支撑和指导意义.

致谢 感谢曹木青、李同超以及清华大学信号传导与细胞骨架实验室的同事予以审阅.

参考文献

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