全新的巴德-畢得氏綜合癥可能致病機制

真核細胞纖毛 （cilia） 是由外披纖毛膜 （特異化的細胞膜） 的微管軸突組成的一類細胞器。纖毛作為真核細胞信號天線，賦予細胞感受外界刺激 （如光、聲、味、機械力和各類化學分子如激素和神經(jīng)介質(zhì)等） 并將這些胞外信號傳導(dǎo)到胞內(nèi)進行應(yīng)答的能力。 

近年來的研究已經(jīng)充分表明，之前認為定位于細胞膜的許多重要信號分子包括G蛋白偶聯(lián)受體、離子通道以及其他類型的信號蛋白均特異性定位于纖毛膜，這是決定纖毛作為信號天線的分子基礎(chǔ)。

目前已知這些跨纖毛膜或纖毛膜內(nèi)膜附著的纖毛信號分子通過與分子動力蛋白驅(qū)動的鞭毛內(nèi)運輸火車 （intraflagellar transport（IFT）train） 進行偶聯(lián)，從而使得這些個重要纖毛信號分子得以沿著纖毛微管軸絲在細胞膜和纖毛膜之間維持一種動態(tài)平衡。比如說Hedgehog信號通路受體Smo等在纖毛膜和細胞膜之間的動態(tài)循環(huán)過程當中，由多蛋白組分組成的蛋白復(fù)合物BBSome在Smo和反向IFT火車之間充當連接體，其功能就是把Smo偶聯(lián)到反向IFT火車從而使其得以以IFT的方式輸出纖毛。

因此，導(dǎo)致BBSome組分缺失、組裝缺陷或纖毛穩(wěn)態(tài)失衡的基因突變均可使得Smo在纖毛膜內(nèi)異常積累，從而阻斷了hedgehog信號傳導(dǎo)，引發(fā)巴德-畢德氏綜合癥 （Bardet-Biedl syndrome，BBS） 。 

到目前為止，多達20多個基因包括纖毛小G蛋白ARL3基因的突變均可導(dǎo)致一種稱之為朱伯特綜合征 （Joubert syndrome，JBTS） 的纖毛病。有趣的是，BBS和JBTS具有許多共有的臨床病癥包括視網(wǎng)膜褪變、雄性不育、肝囊腫、腎囊腫、多趾以及內(nèi)分泌失調(diào)引發(fā)的代謝病如肥胖和糖尿病等。JBTS有別于BBS的地方在于其可導(dǎo)致腦干畸形引起的運動技能喪失和認知能力低下等更嚴重的臨床癥狀。 

作為小G蛋白Ras超家族的Arf亞家族成員，ARL3在纖毛內(nèi)可以PDE6D和UNC119A/B作為其效應(yīng)子 （effector） 。PDE6D和UNC119A/B在胞質(zhì)中充當載體蛋白以結(jié)合不同類的脂化信號蛋白如INPP5E、NPHP3和視紫紅質(zhì)激酶等并將他們精確定位于纖毛過渡區(qū) （transition zone，TZ） ，活化的ARL3GTP在與這些脂化信號蛋白貨物結(jié)合位點不同的變構(gòu)位點與其載體蛋白效應(yīng)物結(jié)合，誘導(dǎo)載體蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，從而釋放這些脂化信號蛋白使之與纖毛膜結(jié)合以行使正常功能。目前一般認為ARL3突變破壞了這一ARL3介導(dǎo)的纖毛信號蛋白纖毛輸入途徑而導(dǎo)致了JBTS的發(fā)生。然而，ARL3突變引發(fā)BBS臨床癥狀的致病機理至今還沒有被闡明。

該研究利用經(jīng)典模式生物萊茵衣藻，通過分子，細胞，遺傳，生化和活細胞成像的方法，發(fā)現(xiàn)ARL3利用BBSome作為其纖毛內(nèi)效應(yīng)子，通過招募BBSome穿越纖毛TZ輸出纖毛這一機制控制纖毛信號分子磷酸酯酶D （PLD） 在纖毛內(nèi)的動態(tài)平衡。反映到人類細胞，ARL3很有可能是通過這一ARL3介導(dǎo)的外向BBSome纖毛TZ擴散途徑來維持hedgehog信號通路分子在纖毛內(nèi)的動態(tài)平衡。正因如此，某些ARL3突變既可破壞ARL3介導(dǎo)的纖毛信號蛋白纖毛輸入導(dǎo)致JBTS，又可同時影響ARL3介導(dǎo)的依賴于BBSome的hedgehog信號分子纖毛輸出從而引發(fā)BBS。這一發(fā)現(xiàn)可以幫助我們完善臨床上針對BBS和JBTS致病基因的基因分型。

不同于其他業(yè)已發(fā)現(xiàn)的ARL類纖毛小G蛋白，研究發(fā)現(xiàn)ARL3只在GDP結(jié)合狀態(tài)下才能附著于細胞質(zhì)膜，并以擴散的方式進入纖毛并富集于靠近纖毛TZ上部的部分。在此部位，ARL3被迅速激活并與纖毛膜脫離。當載有PLD的BBSome逆行于此時可與反向IFT火車分離，ARL3GTP通過與BBSome亞單位BBS1和BBS5直接結(jié)合的方式與BBSome相偶聯(lián)，從而招募BBSome為其效應(yīng)子以主動擴散的方式穿越纖毛TZ，達到把纖毛信號分子PLD輸出纖毛以維持其纖毛內(nèi)動態(tài)平衡的目的。該研究同時發(fā)現(xiàn)BBSome在纖毛TZ區(qū)并不是都與反向IFT火車分離從而以擴散的方式穿越纖毛TZ以輸出纖毛，表明具體的纖毛信號分子以IFT的方式還是以擴散方式穿越纖毛過渡區(qū)以輸出纖毛這一過程是選擇性的。