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Autophagy丨哈医大一院刘平团队揭示TGFBI基因相关角膜营养不良发病新机制

已有 239 次阅读 2021-9-9 09:42 |系统分类:科研笔记

角膜营养不良(Corneal dystrophies,CD)是一类与遗传有关的原发性角膜疾病,以双眼对称性缓慢进行的角膜透明度丧失为典型临床表现,常导致复发性角膜糜烂和视觉损伤。Thiel-Behnke corneal dystrophy (TBCD) 由Thiel和Behnke于1967年发现,又称为蜂窝状角膜营养不良,是一种多与TGFBI基因突变相关的常染色体显性遗传病。致病性TGFBI基因突变,可使TGFBIp溶解性和稳定性发生改变,异常沉积在角膜基质细胞内及细胞外基质,最终导致角膜浑浊。目前,临床上尚无有效的药物及基因治疗,角膜移植手术仍是角膜营养不良患者唯一有效的治疗方法。


2021年7月7日,哈尔滨医科大学附属第一医院眼科刘平教授实验团队在Autophagy(IF:16.016)杂志发表了题目为 “Torin 1 alleviates impairment of TFEB-mediated lysosomal biogenesis and autophagy in TGFBI (p.G623_H626del)-linked Thiel-Behnke corneal dystrophy” 的研究成果。文章首次报道了一个TBCD相关TGFBI基因的新框内突变类型(c.1868-1879del),并深入探讨了该疾病的发病机制,发现Torin 1通过抑制mTOR促进TFEB的去磷酸化,增加溶酶体功能,使受阻的自噬流增强,从而促进沉积的mut-TGFBI蛋白降解。景杰生物为该研究提供了蛋白质组学分析的技术支持以及蛋白质修饰泛抗体(PTM-1107,泛素化)。


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刘平教授团队在研究中发现五种TGFBI相关CD基因突变型,包括一种12个碱基缺失TGFBI基因新突变型:623位甘氨酸突变为缬氨酸后框内突变TGFBI-p.Gly623_His626del.,TGFBI蛋白在突变后蛋白质的空间构象改变,可能引起其理化性质以及可溶性等的变化。另外通过构建Tgfbi-p.Gly623_Tyr626del突变小鼠模型再现了CD疾病表型。

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图1. Tgfbi-p.Gly623_Tyr626del小鼠模型的建立及小鼠角膜组织的特征 

本研究发现,与正常人角膜基质细胞相比TGFBI-p.Gly623_His626del突变组人角膜基质细胞TGFBIp显著增加,细胞形态也发生明显改变。透射电镜观察显示,突变角膜基质细胞内大量电子致密物质沉积、自噬小体增多、溶酶体病理性膨胀及胞质囊泡样改变。结果提示细胞内mut-TGFBIp蓄积和自噬通路改变是TGFBI-p.Gly623_His626del相关TBCD疾病的重要病理特点。与正常组相比,TGFBI-p.Gly623_His626del突变组人角膜基质细胞内泛素化相关蛋白无显著差异,而自噬相关蛋白LC3II及p62均升高,表明自噬起始正常,但下游不通,自噬流受阻。


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图2. TBCD患者角膜基质细胞中发生TGFBIp沉积及自噬流的阻塞

溶酶体是一种由细胞质膜封闭的细胞器,含有降解大分子和细胞成分的水解酶-组织蛋白酶,是自噬-溶酶体途径的最终降解场所。许多因素调节溶酶体功能和随后的蛋白质降解,包括腔内pH和蛋白水解酶活性,溶酶体功能障碍可能会引发严重的后果。研究人员检测正常角膜基质细胞和TGFBI-p.Gly623_His626del突变角膜基质细胞中溶酶体功能状况,发现突变组细胞溶酶体明显碱化,功能异常。为明确TGFBI-p.Gly623_His626del突变角膜基质细胞溶酶体蛋白水解酶变化,本研究通过蛋白质组学方法,共鉴定到6228个蛋白,其中CTSD(cathepsin D)表达显著下调,这表明TGFBI相关CD疾病角膜基质细胞内溶酶体功能障碍是使自噬流发生阻塞的关键环节。


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图3. TBCD患者角膜基质细胞中溶酶体功能及溶酶体酶异常

转录因子EB(Transcription factor EB, TFEB)是自噬过程以及溶酶体生物发生的重要调节因子,在溶酶体表面,TFEB与mTOR相互作用并被磷酸化失活。因此,抑制mTOR,可促进TFEB去磷酸化,使其向细胞核易位,增强自噬功能及溶酶体蛋白的转录合成,溶酶体底物降解。本项研究发现,TBCD角膜基质细胞中Torin 1增强自噬及CTSD的表达,mTOR抑制剂Torin 1可以通过提高TFEB的活性,改善TBCD患病家系中溶酶体的碱化以及蛋白水解酶的表达含量,增强自噬活性,促进沉积的TGFBIp的降解。


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图4. Torin 1 能够恢复TBCD患者角膜基质细胞内溶酶体的功能

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图5. TFEB与MTORC1复合物和溶酶体功能障碍在TBCD自噬途径中的相互作用模型

研究人员总结了以溶酶体碱化导致自噬流受阻和CTSD缺乏为特征的TBCD可能的致病分子机制,提出了TFEB与MTORC1复合物和溶酶体功能障碍在TBCD自噬途径中的相互作用模型。本研究加深和拓展了我们对TGFBI相关CD发病机制的认识和了解,从溶酶体视角揭示TGFBI相关CD发病新机制。


此外,刘平教授实验团队在2020年9月12日,在Cell Death Discovery杂志发表的题为 “Impairment of the autophagy-lysosomal pathway and activation of pyroptosis in macular corneal dystrophy” 的研究文章,首次报道了斑状角膜营养不良(MCD)相关CHST6基因新颖的突变类型:c.290-291insG,并进一步阐释了该疾病的发病机制:在斑状角膜营养不良中,自噬流的阻塞、溶酶体功能的紊乱以及细胞焦亡途径的激活,都可能和未硫酸化的硫酸角质素的沉积有关,并且最终导致了斑状角膜营养不良的角膜浑浊。在MCD角膜基质细胞中,自噬小体和溶酶体可以进行融合,阻塞的自噬流可能是由于溶酶体功能紊乱所导致的;并且受损的自噬溶酶体途径可能激活细胞焦亡信号通路;而caspase-1抑制剂(Ac-YVAD-CMK)可以改善MCD角膜基质细胞发生焦亡的情况。


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以上研究成果加深和拓展了我们对CD发病机制的认识,从自噬-溶酶体视角揭示CD发病新机制,发现治疗新靶点,使得早日在临床治疗中应用更为特异有效的治疗方法成为可能。


参考文献:
1. Tao Zheng, et al., 2020, Impairment of the autophagy-lysosomal pathway and activation of pyroptosis in macular corneal dystrophy. Cell Death Discovery.
2. Liyuan Wang, et al., 2021, Torin 1 alleviates impairment of TFEB-mediated lysosomal biogenesis and autophagy in TGFBI (p.G623_H626del)-linked Thiel-Behnke corneal dystrophy. Autophagy.



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