最新：肌醇多聚磷酸-5-磷酸酶INPP5E基因在初级纤毛相关儿童疾病中的研究进展.docx

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1、最新肌醇多聚磷酸-5-磷酸酶INPP5E基因在初级纤毛相关儿童疾病中的研究进展摘要肌醇多聚磷酸-5-磷酸酶(INPP5E)基因编码INPP5E,其广泛分布于人类和小鼠的多种组织内，如心脏、大脑和睾丸等，通过调节细胞内磷脂酰肌醇三磷酸含量影响磷酸肌醇代谢通路，从而参与细胞内信号转导、细胞增殖及分化、细胞极性等过程，在初级纤毛的发生过程中发挥重要作用，与儿童纤毛疾病密切相关。现针对INPP5E基因在初级纤毛相关儿童疾病中的研究进展进行综述，结合实验室研究结果，以期为INPP5E基因在初级纤毛的调控及儿童纤毛疾病的防治提供新思路。关键词INPP5E基因;磷酸肌醇；初级纤毛；纤毛疾病；儿童发育肌醇多聚

2、磷酸-5-磷酸酶(INPP5E)基因位于染色体9q34.3,其编码INPP5E,在体内参与多种重要的细胞活动过程。INPP5E蛋白通过调节磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸PI(3z4z5)P3和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸PI(4,5)P2的平衡,调节初级纤毛发生。初级纤毛可感知细胞内外的刺激，在细胞内信号通路转导和细胞周期进程中起着不可或缺的作用。在胚胎发育过程中，初级纤毛相关基因表达异常可影响纤毛的发生及稳定性,导致纤毛结构改变或功能失调，进而影响多种组织和器官发育异常，引起儿童纤毛相关性疾病。纤毛相关疾病患儿常以临床综合征的形式发病，这对于患儿身体和心理都是重大打击。随着对初级纤毛结构和功能

3、研究的不断深入,发现越来越多的儿童疾病与纤毛相关。目前，INPP5E基因主要与JOUbert综合值JBST，小阴茎MORM综合征及神经管畸扬NTDs)等儿童相关纤毛疾病的发生相关。1、初级纤毛结构与功能纤毛是突出于细胞表面的天线样亚细胞结构，在进化中高度保守，根据其超微结构可分为运动纤毛和非运动纤毛，非运动纤毛也称初级纤毛。初级纤毛是存在于脊椎动物大多数细胞的一种感觉细胞器，如胚胎干细胞、内皮细胞及小鼠成纤维细胞等。每个细胞只表达一根初级纤毛。其超微结构由基底、过渡区、轴丝、纤毛膜及纤毛基质构成。中心粒在纤毛发生过程中分化为基底，并定位于纤毛基部的质膜。基底上方纤毛的近端为过渡区，因连接轴丝和

4、纤毛膜的Y形连接纤维命名，过渡区与过渡纤维共同形成调节纤毛成分运输的纤毛门口(图11基底与纤毛轴丝是连续的，轴丝由排列在外周的9根二联微管构成，初级纤毛缺乏中间的2根中心微管和动力蛋白臂因而不能运动，呈9+0结构；运动纤毛分布在呼吸道上皮及脑室壁等,由9根二联微管围绕2根中心微管组成，即9+2结构2o纤毛膜包裹轴丝和纤毛基质，与质膜紧密相接,其近端主要含PI(4z5)P2及PI(3,4,5)P3,躯干及远端由磷脂酰肌醇-4-磷酸(phosphatidy1inosito1-4-phosphate,PI4P)组成2-3,还富含独特的蛋白质和脂质，参与多种信号通路的传导4-6o初级纤毛可检测来自外界

5、的各种物理和化学刺激，包括光(如感光细胞机械力、生长因子及神经递质，参与增殖、分化及迁移等重要的细胞生命活动过程7o越来越多的证据表明，初级纤毛对神经发生、神经元成熟与存活、器官形成等至关重要，主要通过调节胚胎发育过程中的细胞周期进程、细胞骨架组成、纤毛内物质运输、HedgehOg(HH)和Wm信号通路等发挥作用8-10o初级纤毛以静止或分化状态存在，但在重新进入细胞周期时被吸收。在增殖细胞中，初级纤毛在G1期开始组装，并在S/G2期间解聚m初级纤毛内不能合成蛋白质，因此初级纤毛组装与解聚所需的所有物质都是从细胞体运输而来的。纤毛内转运复合物(IFT)调控初级纤毛内物质的双向转运，介导细胞质与

6、初级纤毛间的信号分子传递。初级纤毛相关信号通路-平面细胞极性(PCP)信号通路可直接作用于肌动蛋白骨架，肌动蛋白是细胞骨架微丝的主要成分。通过肌动蛋白调节因子(如RaS同源物基因组成员A、Rho相关卷曲形成蛋白激酶及C-Jun氨基末端激酶)激活下游信号级联，导致肌动蛋白网络重排。然而，究竟是纤毛发生紊乱导致了PCP信号受损和相应的肌动蛋白缺陷还是纤毛蛋白独立于纤毛调节肌动蛋白网络的机制目前尚不明确10在众多信号通路中，HH信号通路是少数几种发育过程中反复用于细胞间信息传递的通路之一，对哺乳动物几乎所有器官的发育及体内平衡和再生至关重要，而脊椎动物的HH信号通路几乎完全依赖初级纤毛12o没有配体

7、的情况下，跨膜蛋白受体补丁蛋白受体定位于初级纤毛，并抑制7次跨膜蛋白Smoothened(SMO)受体进入初级纤毛;当配体与跨膜蛋白受体补丁蛋白结合后，SMO移动到纤毛膜并促进胶质瘤相关癌基因(G1I)在初级纤毛顶端积累和激活。激活的G1I通过IFT从初级纤毛中转运出来,进而通过诱导细胞核中的靶基因表达来调节增殖、迁移及分化。研究发现，螺旋-环-螺旋转录因子Atoh1通过维持初级纤毛使神经元祖细胞处于音猥因子（SHH）高敏感状态,进而激活有丝分裂的SHH信号转导13oWnt通路是哺乳动物体内另一种高度保守的信号通路，控制着多种重要的细胞生命活动，如发育过程中的细胞运动、极性和分化，并调节成体组

8、织的稳态14o研究发现，经典Wnt配体Wnt3a激活酪蛋白激酶1（CK1）,CK1磷酸化B-连环蛋白的第47位丝氨酸残基（p-S47）,导致B-连环蛋白p-S47在中心体积累。-连环蛋白p-S47将中心体卫星（如中心粒外周物质1、中心体蛋白131及中心体蛋白290）募集至中心体周围诱导基底处初级纤毛生产。非经典Wnt配体Wnt5a激活CK1,CK1磷酸化杂乱片段极性蛋白2（Dv12）第143位丝氨酸残基（p-S143）和第224位酪氨酸残基（p-T224）zDv12p-S143p-T224与Po1o样激酶（P1k1）C端Po1o盒形成复合物,产生的Dv12-P1k1复合物通过募集信号转导蛋白，

9、抑制信号转导蛋白/E3泛素连接酶复合物介导的人丝状形成蛋白增强子1（HEF1）破坏而增加游离HEF1水平，通过稳定的HEF1激活AUroraA激酶,并进一步激活组蛋白去乙酰化酶6（HDAC6）,活性HDAC6诱导轴丝-微管蛋白去乙酰化,最终导致初级纤毛解体152、INPP5E基因的结构与功能INPP5E基因全长约11227个碱基，共10个外显子，编码644个氨基酸组成相对分子量为72000的蛋白质,其N端附近存在富含脯氨酸的结构域、第3至9外显子编码的磷酸酶结合结构域、卷曲螺旋结构域和C端第1。外显子上由4个氨基酸组成的CAAX结构域(图21在人体和小鼠的各种组织中广泛表达,以大脑、心脏和睾丸

10、表达最为显著160INPP5E酶主要分布于胞质、核周、纤毛轴丝、纤毛基底、细胞骨架及高尔基体5z17oINPP5E酶是肌醇代谢通路中的关键酶，特异性结合脂质底物而对水溶性肌醇磷酸酯无亲和力，并对PK3,4,5)P3具有最高亲和力,分别水解PI(3,4,5)P3、磷脂酰肌醇-3,5-二磷酸与PI(4,5)P2进行去磷酸化反应生成磷脂酰肌醇-3,4-二磷酸、磷脂酰肌醇-3-磷酸与磷脂酰肌醇-4-磷酸,由此调节肌醇代谢中磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)的含量,该蛋白定位于初级纤毛过渡区，其底物PI(4,5)P2和PI(3,4,5)P3在过渡区处富集，随着HH信号通路活化其含量增加180斑马鱼体内实验显示

11、，INPP5E蛋白通过水解PI(3,4,5)P3和稳定纤毛顶端PI(4,5)P2促进纤毛发育;敲除INPP5E基因导致斑马鱼体内细胞极性丧失，磷脂酰肌醇二磷酸和PIP3分布异常，F-肌动蛋白组装及纤毛相关蛋白定位失败，纤毛基底不能定位至纤毛膜从而导致初级纤毛形成异常81此外JNPP5E基因被敲除或突变时可导致初级纤毛快速解体190INPP5E蛋白还可通过改变质膜或纤毛发生所需囊泡上的脂质成分来问接影响纤毛蛋白的运输5-6z19-20o由此可见，INPP5E蛋白在通过磷酸肌醇信号通路调节初级纤毛形成及稳定性的过程中发挥重要作用。3、INPP5E基因与初级纤毛相关儿童疾病初级纤毛疾病是一组由初级纤

12、毛的结构或功能异常引起的临床和遗传异质性疾病，典型表现为多器官综合征，其特征包括多囊肾、视网膜变性、感觉神经性耳聋、发育迟缓、多指、四肢缩短及胸部畸形等。INPP5E基因异常可能导致胚胎发育过程中不同程度纤毛功能障碍而表现为多种发育异常,如JBST、MORM综合征和NTDs等。3.1JBSTJBST是一种罕见的隐性神经发育性纤毛病,典型的病理学改变为中后脑发育不良或不发育，主要表现为新生儿期间歇性呼吸暂停，儿童期全身性发育迟缓、共济失调及眼球运动异常等19x21oINPP5E基因是JBST发生的关键基因，据CIinVar数据库(https:/www.ncbi.n1m.nih.gov/c1inv

13、ar/戟止到2023年8月的数据，已报道468个突变,其中大部分为错义突变(211/468),其次依次为同义突变(107/468X内含子突变(57/46813非翻译区和5非翻译区突变(27/468)及移码突变(8/468),其他类型突变较少，当突变发生于磷酸酶结合域的活性位点时，INPP5E蛋白对PI(3,4,5)P3和PI(4,5)P2的5-磷酸酶活性降低，进而导致纤毛功能缺失，推测这可能是JBST发生的一个重要机制22o在轴丝发育过程中JNPP5E蛋白与腺吉二磷酸核糖基化因子样GTPB13B(AR113B)以复合体形式存在。斑马鱼研究中发现，纤毛内转运蛋白74基因的突变干扰了纤毛的纤毛内转

14、运，AR113B和INPP5E蛋白在纤毛中表达降低，进而导致纤毛长度、纤毛发生及纤毛成分存在不同程度缺陷同时由于G蛋白偶联受体161(GPR161)在纤毛中累积改变了HH信号的传导影响了胚胎发育引起JBS1I19-200研究发现，INPP5E基因突变小鼠外侧新皮质的放射状胶质细胞初级纤毛稳定性降低与信号传导功能受损有关，表现为膜异常的出芽结构或侧缘及轴丝双联微管数量异常,导致胶质瘤相关癌基因3转录抑制因子(G1I3R)水平降氐，放射状胶质细胞形成短暂增加而基底细胞生成减少，突变皮质第5层神经元过度生成，大脑皮质神经元组成异常，部分JBST患者表现为严重的大脑皮质发育畸形，如异位、多小回和月并版

15、体发育不全23o3.2MORM综合征MORM综合征是一种罕见的常染色体隐性遗传纤毛疾病，临床上表现为先天性视网膜营养不良、智力缺陷、躯干肥胖、斑状视网膜、小阴茎及多指畸形等，患者在婴儿期即可表现出不同程度的症状241研究发现JNPP5E基因627位谷氨酰胺无义突变c.1879CT)使翻译提前终止，缺失C末端18个氨基酸,CAAX结构域丢失JNPP5E蛋白在人视网膜色素上皮细胞初级纤毛上的定位显著紊乱，初级纤毛稳定性明显降低，推测可能与缺失CAAX结构域后无法促进INPP5E蛋白的纤毛定位有关60CAAX结构域负责法尼脂酰基化蛋白并增强蛋白的膜锚定能力,注射翻译截短后INPP5E的斑马鱼表现出小

16、眼征、躯体不对称及前肾囊肿等表型，INPP5E蛋白表达明显降低,枯否囊泡纤毛数量明显减少和长度缩短，前肾管初级纤毛也明显缩短，INPP5E基因补救后初级纤毛长度恢复250最近研究发现zINPP5E基因C端633位的谷氨酰胺发生的纯合基因无义突变(c.1897CT),使其终止密码子改变和翻译提前终止,导致INPP5E蛋白功能受损，但突变INPP5E蛋白如何影响纤毛结构或功能的机制尚不明确26,可能与缺失CAAX结构域相关。这些研究表明，INPP5E基因在MORM综合征发生中发挥重要作用，为以后发现和治疗MORM综合征提供了重要参考。3.3 NTDsNTDS是中枢神经系统最常见的出生缺陷，根据神经管闭合缺陷发生在神经轴的不同位置，主要分为无脑畸形、脑膨出及脊柱裂等27-28o研究发现，INPP5E等位基因纯合缺失小鼠胚胎出现了NTDs表型6;在小鼠妊娠第11.5天