人类疾病相关基因DHTKD1、Kif18A和Rig-Ⅰ的生物学功能研究

发布时间：2020-05-23 15:46

【摘要】：第一部分DHTKD1对线粒体发生及其功能的影响线粒体功能的完整性对于细胞行使功能，完成信号转导以及细胞内的物质运输，甚至整个细胞的生命活动非常重要。线粒体功能异常会影响细胞内能量代谢，导致神经系统功能异常或引起神经退行性病变。本课题组最近报道了一例腓骨肌萎缩症II型（Charcot-Marie-Tooth disease，CMT2）家系，该家系呈常染色体显性遗传。通过全基因组扫描和连锁分析发现，这个家系中的所有患者体内DHTKD1（dehydrogenase E1and transketolase domain containing1）基因的外显子上存在一个无义突变，致使编码该位点的密码子成为了一个提前终止密码子，从而导致蛋白质翻译提前终止，结构和功能出现异常。DHTKD1编码的蛋白质与α-酮戊二酸脱氢酶E1组分相似，主要位于线粒体上，但目前对该蛋白质的作用并无相关的文献报道。为此我们试图通过生物化学及分子生物学方法研究其在线粒体能量代谢中的作用，揭开DHTKD1突变与CMT2型疾病的关系。研究发现，DHTKD1的表达水平与细胞内ATP（adenosine triphosphate）的水平以及氧化磷酸化的能力密切相关，说明其在线粒体能量代谢中起着十分重要的作用。进一步研究发现，DHTKD1沉默之后，控制线粒体发生的相关基因的表达水平下降，线粒体生成出现障碍，并导致细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）升高，最终引起细胞生长缓慢以及细胞大量死亡。我们的研究表明DHTKD1在线粒体发生以及线粒体功能维持中起着重要的作用，DHTKD1突变之后导致的线粒体功能异常以及细胞内大量ROS积累对细胞造成的毒害作用可能在CMT2的发病过程中起了关键的作用。第二部分Kif18a在小鼠炎症性结直肠癌中的作用研究有丝分裂纺锤体是一个已被证实了的肿瘤化疗的重要靶标，像紫杉烷类和长春花碱等药物已用于临床。但是，这些针对纺锤体的药物使肿瘤细胞能够产生抵抗，从而限制了其广泛的应用。因此，有必要寻找其他的针对纺锤体的药物，同时保证肿瘤细胞不至于产生过高的抵抗力。最近，驱动蛋白家族由于其在有丝分裂中的重要作用被推到了研究浪潮的最前端。驱动蛋白是一类分子马达，它们在细胞分裂和细胞内的物质运输中有重要的作用。而且，已有研究证明，驱动蛋白在肿瘤发生中有重要的作用。 Kif18a隶属于驱动蛋白家族8，，它是细胞内的一个分子马达蛋白，利用ATP水解产生的能量沿微管运动，维持微管动态和参与细胞分裂。我们发现驱动蛋白Kif18a在结直肠癌（colitis-associated colorectal，CAC）小鼠肿瘤组织中高表达，同时Kif18a基因剔除小鼠在AOM/DSS诱导下比野生型小鼠不容易得结直肠肿瘤。我们进一步的研究表明，Kif18a剔除之后对肿瘤灶的增殖凋亡都有重要影响，这是由于这些肿瘤细胞中AKT的磷酸化水平明显降低，PI3K/AKT信号通路存在障碍造成的。这些结果表明Kif18a通过PI3K/AKT信号通路在炎症性结直肠癌发生发展中起重要作用，进一步深入研究有可能使Kif18a在将来能够作为结直肠癌的诊断指标，而抑制Kif18a的活性可能能够用于结直肠癌的预防及化疗。很幸运的是，有报道称，小分子化合物BTB-1能够抑制Kif18a的ATPase活性，其详细机制及临床应用价值值得进一步研究与开发。第三部分Rig-I调控肠道菌群平衡和结直肠癌的发生 Rig-I（retinoic acid-inducible gene-I）是细胞内的一种病毒受体，它特异性识别病毒RNA启动宿主抗病毒先天免疫。在这一过程中，Rig-I通过招募特异性接头蛋白MAVS (mitochondrial antiviral signaling protein，也称为Cardif, IPS-1,VISA)，激活下游的IRF3（IFN regulatory factor3）和NF-κB信号通路，产生I型干扰素和炎症因子，抵抗病毒入侵。RIG-I最初是在全反式维甲酸(alltrans-retinoic acid, ATRA)诱导急性早幼粒细胞白血病(acute promyelocyticleukemia, APL)细胞系NB4分化过程中被发现显著上调的基因。在以往的研究中，我们发现Rig-I剔除小鼠体内Gαi2（G protein subunit α-i2）表达下降并伴有T细胞活化缺陷，易发结肠炎，类似人类免疫性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)症状；Rig-I剔除小鼠对细菌的吞噬能力减弱，容易感染大肠杆菌E. coli；另外Rig-I剔除小鼠B细胞发育缺陷以及免疫球蛋白IgG3特异性类别转换（classswitch recombination，CSR）受阻，导致小鼠眼睛及颈部皮肤容易发生S. xylosus感染，这些说明Rig-I在调节抗病毒之外的免疫应答中具有更广泛的作用。另据研究，在IBD患者中，回肠上皮细胞Rig-I表达下调，并且伴有明显的肠道菌群紊乱，而且18%的IBD患者最终可能发展成为结直肠癌。我们利用现有的Rig-I基因剔除小鼠模型，通过对不同年龄的小鼠粪便进行高通量测序，发现与野生型小鼠相比，Rig-I基因剔除小鼠肠道菌群具有更高的丰度和多样性，两种基因型的小鼠肠道菌群能够明显区分开来。而且，WT（wild type）和KO（knock out）小鼠肠道菌群在两周龄就有非常明显的差异，8周时，KO小鼠肠道菌群已趋于稳定，但WT小鼠仍在缓慢变化。可以推测，WT和KO小鼠在出生后肠道菌群就向两个不同的方向发展，KO小鼠在4-8周时即达到了比较稳定的状态。诱导成瘤试验结果显示，Rig-I-/-小鼠更易发生诱导性的结直肠癌，肿瘤部位病变也更严重。这说明Rig-I在肠道菌群调节以及结直肠癌发生发展中都有重要的作用，两者之间可能存在某种必然的联系。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R394

【参考文献】