PNAS：樊振川教授团队揭示BBSome复合体基体定位运输调控新机制

来源：BioArt

真核细胞纤毛（cilia）是由外披纤毛膜（特异化的细胞膜）的微管轴突组成的一类细胞器。纤毛作为真核细胞信号天线，赋予细胞感受外界刺激（如光、声、味、机械力和各类化学分子如激素和神经介质等）并将这些胞外信号传导到胞内进行应答的能力。近年的研究表明，我们之前认为定位于细胞膜的许多重要的信号分子包括G蛋白偶联受体、离子通道以及其他类型的信号蛋白均特异性定位于纤毛膜，这是决定纤毛作为信号天线的分子基础 【1-4】。目前已知纤毛信号分子通过与分子动力蛋白（motor proteins）驱动的鞭毛内运输体 (intraflagellar transport（IFT）train）进行偶联，从而使其得以沿着纤毛微管轴突在细胞膜和纤毛膜之间动态运动【5】。纤毛信号分子在纤毛膜和细胞膜之间循环运输过程中，由八种保守蛋白（BBS1/2/4/5/7/8/9/18）组成的蛋白复合物BBSome在纤毛信号分子和鞭毛内运输体之间充当连接体（adaptor），其功能就是把纤毛信号分子偶联到鞭毛内运输体从而使其得以依赖于IFT在纤毛膜和细胞膜间进行动态运送【6】。因此，导致BBSome组分缺失、组装缺陷或纤毛定位异常的基因突变均可引发纤毛信号分子在纤毛膜内异常缺失或积累，从而导致巴德-毕德氏综合症（Bardet-Biedl syndrome，BBS）。BBS是一种异质性人类纤毛病，其临床病症包括视网膜褪变、雄性不育、婴儿型肥胖、心智迟缓和多趾等，少数患者还具有糖尿病、先天性心脏病和肾囊肿和衰竭等症状。

鞭毛内运输体由两个称之为IFT-A（6个亚基）和IFT-B（16个亚基）多蛋白复合物的重复单元组成。IFT-B进一步分为稳定的IFT-B1和IFT-B2亚复合物。目前，鞭毛内运输体驱动的BBSome纤毛循环可被分解为四个连续步骤，包括BBSome和鞭毛内运输体在基体（basal body）偶联；从纤毛基部到纤毛顶部的顺行运输；在纤毛顶部翻转以及从纤毛顶部到纤毛基部的逆行运输等。目前已知小GTP酶在BBSome纤毛循环各步骤中起着关键的调控作用。例如，当BBSome进入纤毛时，小GTP酶ARL6/BBS3在其GTP结合状态下结合BBSome，从而将其靶向定位于纤毛以进行顺行运输。BBSome纤毛顶部翻转时，BBSome会从顺行鞭毛内运输体卸放，以装载/卸放其信号蛋白分子，然后BBSome再被装载到逆行鞭毛内运输体以运出纤毛。证据表明，IFT-B1蛋白组分之一的小GTP酶RABL4/IFT27在纤毛顶端激活ARL6/BBS3，被激活的ARL6/BBS3结合游离BBSome并使其偶联到逆行鞭毛内运输体运出纤毛。有趣的是，在进入纤毛前，顺行鞭毛运输体和BBSome需要在基体进行偶联，所以将BBSome招募到基体是BBSome装载到顺行鞭毛运输体并得以进入纤毛的先决条件。遗憾的是，到目前为止，BBSome被招募到基体的分子机理还未被阐明。

2020年1月17日，PNAS在线发表了天津科技大学樊振川团队完成的题为Intraflagellar transport protein RABL5/IFT22 recruits the BBSome to the basal body through the GTPase ARL6/BBS3的研究论文。该研究以莱茵衣藻为模式生物，利用遗传、生化、细胞和单分子体内活体成像等技术，阐明了鞭毛内运输体IFT-B1组分之一的小GTP酶RABL5/IFT22通过小GTP酶ARL6/BBS3招募BBSome到基体的分子机理。

小GTP酶RABL5/IFT22是IFT-B1的组分之一，其在具纤毛生物中是保守的。这项研究在分子水平上探索了IFT22，BBS3和BBSome之间的相互作用，主要发现归纳为：1）IFT22是具有GTP酶活性的IFT-B1复合体亚基，其缺失不影响鞭毛内运输体组装和纤毛生物生成；2）IFT22结合BBS3从而使后者得以稳定存在于胞体，且其结合不依赖于二者的核苷酸结合状态；3）BBS3结合BBSome，二者结合与BBS3核苷酸结合状态无关；4）当IFT22和BBS3均处于GTP结合状态时，IFT22/BBS3二聚体将BBSome招募到基体；5）在基体中，GTP结合的IFT22与BBS3/BBSome分离，BBSome与IFT-B1偶联从而得以通过IFT进入纤毛；6）在基体中，GTP结合的IFT22通过与IFT-B1的IFT74/81亚复合物直接相互作用嵌合进IFT-B1，从而得以通过IFT进入并在纤毛内循环；7）在基体中，GTP结合的BBS3保持偶联BBSome，从而得以通过IFT进入纤毛。进入纤毛后，GTP结合的BBS3开始附着于纤毛膜。

该研究系统地阐明了RABL5/IFT22通过稳定ARL6/BBS3，并通过二者的核苷酸结合状态调节被招募到基体的BBSome数量，从而维持纤毛膜内信号分子的动态平衡。这一发现对理解BBS综合症的成因具有重要的科学意义。

Hypothetical model of how IFT22 mediates basal body recruitment of the BBSome through BBS3.

天津科技大学博士研究生薛斌和刘雁霞为论文共同第一作者，樊振川教授为论文通讯作者。天津科技大学孙军教授，美国阿尔巴尼医学院Mingfu Wu教授以及美国乔治亚大学Karl Lethtrech教授团队参与了本文的部分研究工作及讨论。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1901665117

参考文献

1. Berbari NF, Lewis JS, Bishop GA, Askwith CC, & Mykytyn K (2008) Bardet-Biedl syndrome proteins are required for the localization of G protein-coupled receptors to primary cilia. Proc Natl Acad Sci U S A 105(11):4242-4246.

2. Siljee JE, et al. (2018) Subcellular localization of MC4R with ADCY3 at neuronal primary cilia underlies a common pathway for genetic predisposition to obesity. Nat Genet 50(2):180-185.

3. Valentine MS, et al. (2012) Paramecium BBS genes are key to presence of channels in Cilia. Cilia 1(1):16.

4. Liu P & Lechtreck KF (2018) The Bardet–Biedl syndrome protein complex is an adapter expanding the cargo range of intraflagellar transport trains for ciliary export. Proc Natl Acad Sci U S A 115(5):E934-E943.

5. Rosenbaum JL & Witman GB (2002) Intraflagellar transport. Nat Rev Mol Cell Biol 3(11):813-825.

6. Nachury MV, et al. (2007) A core complex of BBS proteins cooperates with the GTPase Rab8 to promote ciliary membrane biogenesis. Cell 129(6):1201-1213.