跨膜蛋白43的研究進(jìn)展

趙克學(xué)， 梁浩勤， 李瓊毅, 馮若飛

(1. 西北民族大學(xué) 生物工程與技術(shù)國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 蘭州 730030； 2. 西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院， 蘭州 730030； 3. 甘肅省動(dòng)物細(xì)胞工程技術(shù)研究中心， 蘭州 730030)

膜蛋白作為一種重要的功能性蛋白, 是多種信號分子的受體,構(gòu)成了多種離子的跨膜通道。在細(xì)胞間參與調(diào)節(jié)物質(zhì)和信息的交換,在機(jī)體中發(fā)揮多種生物學(xué)功能，如代謝調(diào)節(jié)、生長調(diào)控、免疫應(yīng)答等?？缒さ鞍?3(TMEM43)也被稱為LUMA，是一個(gè)發(fā)現(xiàn)較晚的功能蛋白，它是由TMEM43基因編碼的,大小為45 ku的唯一完整的核膜蛋白，在物種之間高度保守[1]。目前對該蛋白的功能及相關(guān)特性的研究報(bào)道還很缺乏，現(xiàn)已知該基因的突變能導(dǎo)致人的某些疾病發(fā)生，因此本文主要對TMEM43與目前致心律失常性右心室心肌病(Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy， ARVC)、金剛砂-德雷福斯肌營養(yǎng)不良疾病 ( Emery-dreifuss muscular dystrophy，EDMD)及跨膜蛋白的相關(guān)研究進(jìn)行綜述,有助于后期研究者對該蛋白的認(rèn)識和了解。

1 TMEM43的基因構(gòu)成

TMEM43的基因是位于NM_024334,大小為 3343 bp的mRNA,在人體中，該基因能編碼跨膜蛋白43，也被稱為智能人類跨膜蛋白43(TMEM43)。人類TMEM43基因的最長亞型包括12個(gè)外顯子，在物種之間高度保守，這個(gè)保守基因在原核及真核物種中都存在[2]。該基因?qū)儆赥MEM43家族，它的缺陷是家族性致心律失常性右心室發(fā)育不良5型(ARVD5)的病因。也稱為致心律失常性右心室心肌病5型(ARVC5)。TMEM43基因含有PPARγ(一種脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子)的應(yīng)答元件，解釋了心肌細(xì)胞發(fā)生脂肪變[3]，這是ARVC中的一種特征性病理發(fā)現(xiàn)。雖然對TMEM43域結(jié)構(gòu)了解甚少，但研究發(fā)現(xiàn)該基因S358L(即第358位上的絲氨酸變?yōu)榱涟彼?突變對心肌功能是有害的[2]。然而，目前有關(guān)TMEM43基因產(chǎn)物的功能認(rèn)識卻十分有限。

2 TMEM43蛋白的結(jié)構(gòu)和組織分布

TMEM43蛋白包括4個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和一個(gè)較大的親水胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域，是含有400個(gè)氨基酸所組成的膜蛋白，經(jīng)氨基酸比對結(jié)果提示人源TMEM43蛋白與鼠源TMEM43蛋白具有98%的同源性[4]。通過基因組學(xué)的方法，將TMEM43鑒定為支架蛋白CARMA3結(jié)合蛋白[5]。生物信息學(xué)分析表明TMEM43是細(xì)胞質(zhì)膜蛋白，它具有多種潛在的翻譯后修飾位點(diǎn)，與其他跨膜蛋白不同的是TMEM43沒有鈣黏蛋白域[6]。蛋白組學(xué)篩選試驗(yàn)已證實(shí)TMEM43在核膜上也有存在[7]。在各種細(xì)胞系中，TMEM43定位在內(nèi)核膜及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[8]，發(fā)現(xiàn)該蛋白也存在于細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上,主要在心臟成纖維細(xì)胞和冠狀血管平滑肌細(xì)胞中廣泛表達(dá),在胎盤中的表達(dá)最為顯著，但骨骼肌中無法檢測到[1,9]。

3 TMEM43的生理功能

TMEM43是介導(dǎo)表皮生長因子受體(EGFR)誘導(dǎo)NF-κB的活性和腫瘤進(jìn)展的一種關(guān)鍵的信號分子, 通過使用雙分子熒光互補(bǔ)功能基因組學(xué)方法高通量篩選，將TMEM43鑒定為EGFR信號網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組分[5]。研究發(fā)現(xiàn)，TMEM43與支架蛋白CARMA3激活下游NF-κB的活性并在控制細(xì)胞的生存方面起著至關(guān)重要的作用[4]。通過在HEK293T細(xì)胞中進(jìn)行NF-κB報(bào)告基因檢測，發(fā)現(xiàn)TMEM43單獨(dú)過表達(dá)與CARMA3相似，可以誘導(dǎo)NF-κB的活化。此外，TMEM43的高表達(dá)與腦腫瘤密切相關(guān)，它的表達(dá)抑制了腫瘤在體外和體內(nèi)的生長[5]。

4 TMEM43與疾病的關(guān)系

4.1 TMEM43與ARVC的相關(guān)研究

心律失常性右心室心肌病(Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)主要累及心室，是以室性心動(dòng)過速、突發(fā)性心臟死亡及心肌的纖維脂肪性替代，并伴有陣發(fā)性室性心律失常和心源性猝死為主要特征的遺傳性疾病[10]。目前，基因檢測作為ARVC疾病檢測的重要手段[11]，自2000年明確第一個(gè)致病基因以來，至今已發(fā)現(xiàn)與ARVC患者臨床表型相關(guān)的有9個(gè)基因包括800多個(gè)位點(diǎn)的突變[12]。這些基因位點(diǎn)的突變主要是由編碼橋粒蛋白基因所導(dǎo)致的，包括盤狀球蛋白基因Plakoglobin(JUP)、橋粒斑蛋白基因Desmoplakin(DSP)、血小板親和蛋白基因Plakophilin-2(PKP2)、橋粒芯糖蛋白基因Desmoglein-2(DSG2)和橋粒芯膠蛋白基因Desmocollin-2(DSC2)。然而最近的研究發(fā)現(xiàn)非編碼橋粒蛋白的基因也與ARVC的致病性息息相關(guān)，包括轉(zhuǎn)化生長因子β-3(TGFβ3)[13]、跨膜蛋白43(TMEM43)[6]。Franke也證明了TMEM43的突變是造成心肌病的主要原因[14]。但在非橋粒蛋白基因突變引發(fā)的ARVC患者中，只有TMEM43與ARVC的關(guān)系比較明確。

2008年以來，研究發(fā)現(xiàn)ARVD5位點(diǎn)上的心肌病是由TMEM43的錯(cuò)義突變引起的，他們在紐芬蘭地區(qū)的ARVC患者和正常的健康者中，提取白細(xì)胞和心肌組織的TMEM43全長DNA，其中在ARVC患者中鑒定出TMEM43在第1073位上的C堿基突變?yōu)門堿基，導(dǎo)致了第358位上氨基酸的替換，使絲氨酸變?yōu)榱涟彼?，且在該位點(diǎn)上TMEM43基因高度保守，該保守基因在哺乳動(dòng)物、鳥類、兩棲動(dòng)物及昆蟲中被發(fā)現(xiàn)，且突變發(fā)生在第3個(gè)跨膜域中[6]。TMEM43錯(cuò)義基因突變是ARVC的重要原因, 相關(guān)數(shù)據(jù)表明在死亡或接受心臟移植的ARVC患者中，60%是由于TMEM43突變造成的[15]。為了確定TMEM43突變導(dǎo)致ARVC，Haywood等[16]對來自英國的143例ARVC患者和來自紐芬蘭的55例患者進(jìn)行了TMEM43雙向測序,發(fā)現(xiàn)大部分位于TMEM43的非編碼區(qū)中。臨床研究也發(fā)現(xiàn)丹麥地區(qū)ARVC患者中有1/4是TMEM43基因突變引起的，而在健康群體中沒有發(fā)現(xiàn)TMEM43 基因的突變，說明TMEM43突變對心肌功能是有害的[17]。2011年，Christensen等人對TMEM43基因的11個(gè)變異序列進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)雜合的變異序列存在，一個(gè)是異常的剪接位點(diǎn)變異(c.705+7G>A;r.spl)，該變異影響第8內(nèi)含子剪接供體位點(diǎn)；另一個(gè)是錯(cuò)義的突變(c.1073C>T;p.S358L)定位在TMEM43第三跨膜域中并反映不同極性的氨基酸，且該位點(diǎn)在所有生物體中高度保守[18]。在免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，TMEM43的特異性抗體在肌纖維膜上表現(xiàn)出濃染，而TMEM43陽性患者中，TMEM43和盤狀球蛋白的免疫反應(yīng)信號水平下降，這種下降在p.S358L突變者中非常明顯。該發(fā)現(xiàn)提示與ARVC相關(guān)的TMEM43和橋?？赡芄蚕碜罱K的分子通路[4]。

最新一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在TMEM43基因p.S358L突變的人群中，心肌細(xì)胞受損嚴(yán)重，但是由于該研究樣本量較小，因此共檢測出2例非編碼橋粒蛋白基因突變，分別是TMEM43基因和TGF-β3基因，該兩例患者均為多突變攜帶者[17],且該位點(diǎn)的突變最近在ARVD5患者中被鑒定[19]，它的突變影響參與傳導(dǎo)的蛋白質(zhì)的定位，改變間隙連接功能，從而降低心肌組織的傳導(dǎo)速度[20]。Milting等人用顯微技術(shù)分析了皮膚成纖維細(xì)胞，與TMEM43野生型相比，發(fā)現(xiàn)p.S358L突變型的細(xì)胞核硬度增加，證明這與心肌細(xì)胞的大量減少有關(guān)[21]。此外，還發(fā)現(xiàn)TMEM43的雙突變導(dǎo)致胎兒右心室動(dòng)脈瘤區(qū)域性收縮功能下降和室性心律失常，該突變在患者母親中也得到證實(shí)，因此他們被診斷患有ARVC[22]。國外的一項(xiàng)針對TMEM43基因相關(guān)的ARVC的病例分析表明，在猝死的高危性上，性別差異非常顯著，病例中男性患病人數(shù)明顯比女性患病人數(shù)要多[17]。為確定TMEM43在心臟中所起的作用，研究人員在小鼠心肌細(xì)胞中瞬時(shí)表達(dá)TMEM43，發(fā)現(xiàn)TMEM43對小鼠心臟發(fā)育不是必需的，單獨(dú)的突變也不會(huì)導(dǎo)致小鼠的心肌病[23]。

上述各項(xiàng)研究表明，TMEM43基因的突變與ARVC息息相關(guān)，但它的功能及其與ARVC的致病機(jī)制知之甚少。通過全基因組掃描過氧化物酶體增殖子反應(yīng)元素，證明PPARγ(脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子)有1085個(gè)潛在的靶基因，其中包括TMEM43[3]。因此可以假設(shè)TMEM43是PPARγ所控制的脂肪形成通路的一部分，那么這種通路的失調(diào)可能導(dǎo)致ARVC患者出現(xiàn)心肌纖維被脂肪所代替。這一發(fā)現(xiàn)對研究TMEM43突變與ARVC致病機(jī)制間的關(guān)系開辟了一個(gè)新方向。

4.2 TMEM43與金剛砂-德雷福斯肌營養(yǎng)不良的相關(guān)研究

金剛砂-德雷福斯肌營養(yǎng)不良(Emery-dreifuss muscular dystrophy,EDMD)主要以肌肉營養(yǎng)不良、關(guān)節(jié)攣縮以及具有傳導(dǎo)缺陷的潛在致命擴(kuò)張型心肌病為特征，是一種遺傳異質(zhì)性神經(jīng)肌肉錯(cuò)亂[8]。在EDMD中，5種致病基因被鑒定與EDMD發(fā)病相關(guān)，包括EMD、LMNA、SYNE-1、SYNE-2及FHL1，分別編碼伊默菌素、A型核纖層蛋白、nesprin-1、nesprin-2和LIM域1[24]。除了FHL1外，所有的蛋白都是核膜蛋白，伊默菌素為內(nèi)核膜蛋白，在維持核結(jié)構(gòu)完整性上發(fā)揮了重要的作用。核纖層蛋白即LMNA不僅能導(dǎo)致相關(guān)肌肉疾病，如影響骨骼肌、心肌、周圍的神經(jīng)，或者是一些脂肪組織，而且還能導(dǎo)致EDMD[25]。那么，這些蛋白是否與TMEM43相互作用進(jìn)而影響疾病的發(fā)生是目前研究的核心。Liang等人研究發(fā)現(xiàn)，TMEM43突變可能導(dǎo)致心臟傳導(dǎo)缺陷，這是EDMD的特點(diǎn)之一[26]。除此之外，TMEM43突變被認(rèn)為是EDMD相關(guān)肌病的致病機(jī)制之一[23]。

Liang等[26]鑒定出兩個(gè)EDMD相關(guān)肌病患者出現(xiàn)TMEM43基因的錯(cuò)義突變，這兩種突變與EDMD相關(guān)性肌病有關(guān)，主要涉及骨骼肌和心肌。先前也有過報(bào)道，TMEM43跨膜區(qū)域基因的突變，即p.Ser358Leu造成了ARVC5型，ARVC-5與跨膜蛋白43基因中的突變偶聯(lián)[27]，但是沒有涉及骨骼肌等的癥狀，這表明了TMEM43的不同區(qū)域可能會(huì)涉及不同的生物學(xué)功能，甚至導(dǎo)致不同的顯型。

5 TMEM43與伊默菌素及核纖層蛋白之間的相互作用研究

除此之外，TMEM43作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的核膜蛋白，有助于通過在INM中組織蛋白復(fù)合體來維持核膜結(jié)構(gòu)[28]。有研究者同時(shí)對其他核膜蛋白及其與TMEM43之間的相互作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)TMEM43與其他的核膜蛋白有著密不可分的關(guān)系，如核纖層蛋白和伊默菌素[29]。Mewborn和他的同事發(fā)現(xiàn)定位在13號染色體上的核纖層蛋白A突變體的基因出現(xiàn)了錯(cuò)誤的表達(dá)，這有可能會(huì)導(dǎo)致核纖層蛋白病[6]。核纖層蛋白病有廣泛的表型譜，包括擴(kuò)張型心肌病、金剛砂-德雷福斯肌營養(yǎng)不良、肢帶型肌營養(yǎng)不良及過早老化等[30-31]。然而近期證據(jù)表明TMEM43突變包括擴(kuò)張型心肌病和不明原因的突發(fā)性心臟死亡。核纖層蛋白以二聚體形式存在，具有3種類型，分別為A、B、C型，其中，核纖層蛋白A和C是由同一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位所編碼的，通過可變剪接而形成不同的mRNA。核纖層蛋白被廣泛地研究主要是因?yàn)長amin A/C導(dǎo)致擴(kuò)張型心肌病[32]，Lamin B維持核形狀和機(jī)械完整性[33]，這一特性更有助于研究與TMEM43的互作。此外，有研究發(fā)現(xiàn)伊默菌素的突變同樣會(huì)造成金剛砂-德雷福斯肌營養(yǎng)不良且TMEM43影響伊默菌素的分布[6]，進(jìn)而可以推斷TMEM43的突變也會(huì)導(dǎo)致肌肉萎縮癥。不管是核纖層蛋白還是伊默菌素，它們與TMEM43的相互作用及43的突變是否會(huì)影響它們的分布，都需要進(jìn)行廣泛而深入的研究。

6 小結(jié)

TMEM43是廣泛存在于生物膜中的一種跨膜蛋白，該蛋白參與細(xì)胞的多種生理功能，并且其編碼基因的突變也與部分臨床疾病相關(guān)。但是由于TMEM43發(fā)現(xiàn)較晚，因此對這種蛋白的認(rèn)識非常有限。已有的研究表明TMEM43的編碼基因突變可導(dǎo)致全外顯性的心率失常性右心室心肌病和肌營養(yǎng)不良性疾病，還發(fā)現(xiàn)與其他跨膜蛋白存在相互作用，我們在相關(guān)實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)TMEM43與病毒感染存在一定的相關(guān)性。綜上所述，深入研究TMEM43的生理功能及其與疾病的關(guān)系，從而對致病機(jī)制研究和臨床早期診斷提供理論參考。