高爾基體參與眼科疾病的研究進展

楊倩，于靖

高爾基體(golgi apparatus)亦稱高爾基復合體、高爾基器，是真核細胞中內膜系統(tǒng)的組成之一。常分布于內質網與細胞膜之間，由于其功能的多樣性和結構的獨特性，以及在許多疾病中的作用，備受大家關注。近年來，高爾基體在眼科疾病中的作用也在逐漸被挖掘，可能成為研究眼部疾病的新方向。

1 高爾基體的結構與功能

哺乳動物細胞中的高爾基復合體由極化堆積的扁平池狀膜組成，扁平池狀膜通過小管連接，形成與微管組織中心緊密連接的膜網狀網絡[1]。該高度動態(tài)的膜網狀網絡結構可以在有絲分裂進程中可逆地解體。同時，關鍵的分泌通路蛋白也可以以細胞周期依賴的磷酸化方式分解高爾基體。高爾基復合體是真核細胞膜轉運調控的核心，是蛋白質的分類和處理的主要場所[2]，是參與細胞代謝的關鍵細胞器，主要參與修飾、分類和包裝大分子，并將內質網合成的蛋白質運送到細胞特定的部位或者分泌到細胞外。在正常情況下，哺乳動物高爾基體是微管組織中心附近的成堆池狀的膜。蛋白質以分泌途徑進入高爾基體的順式面，當它們通過高爾基體膜時被處理，并在反式面被分類成囊泡，運輸?shù)剿鼈兊念A定目的地。反式高爾基體在篩選內吞蛋白和在細胞膜和細胞內膜室之間循環(huán)方面同樣也發(fā)揮著重要作用，這為高爾基體與細胞的其他部分及其周圍環(huán)境的交流提供了良好前提基礎，使其處于感知和整合細胞狀態(tài)及環(huán)境信息的首要位置。

2 高爾基體參與眼科疾病的方式

高爾基體最主要的作用是對內質網合成的蛋白質進行加工、分揀與運輸，再將其分別運送到細胞特定的部位或分泌到細胞外，其次是參與細胞分泌作用，進行膜的轉化，將蛋白水解為活性物質，參與形成溶酶體，參與蛋白質糖基化等。然而高爾基體在不同眼部疾病中參與的方式不同，目前認為可能有如下幾種方式：(1)眼部相關蛋白與高爾基體共定位，調控高爾基體的囊泡轉運；(2)高爾基體為相關物質的合成和結合提供場所[3]；(3)高爾基體解體，促進細胞凋亡，加速疾病的發(fā)生發(fā)展。

3 高爾基體與眼科疾病

3.1 高爾基體和色素性視網膜炎 色素性視網膜炎(retinitis pigmentosa, RP)即視網膜色素變性，是一種慢性、進行性、遺傳多樣性的視網膜色素上皮營養(yǎng)不良性眼病，其特征是進行性光感受器細胞變性[4]?；颊咭砸姑ぐY和周圍視覺喪失為主要表現(xiàn)，目前RP的發(fā)病機制尚不明確，可能由于視桿細胞及視錐細胞的相繼凋亡，視網膜退化進展至中央視網膜，導致特征性的視野狹窄，最終失明。

光感受器是復雜的纖毛感覺神經元。光感受器的基底體和膽周嵴與高爾基體復合體共同作用，調節(jié)內段蛋白向外段感覺軸索的輸出。Arl3(ADP-ribosylation factor-like3)是一種廣泛存在的微管相關蛋白(microtubule-associated protein，MAP)，定位于光受體連接纖毛[5-6]，參與纖毛功能且Arl3在高爾基體至纖毛的囊泡轉運中起著重要作用[6]。視網膜色素變性蛋白(retinitis pigmentosa protein，RP2)為Arl3的負調控因子，定位于光感受器纖毛基部的基底體和相關的中心粒，光感受器的高爾基體和脊，這提示RP2可通過控制Arl3活性來調控高爾基體囊泡的轉運和對接過程[7]。有研究[8-9]指出RP2對Arl3的調控對于維持高爾基體的內聚力，促進囊泡的轉運和對接，將蛋白從光受體連接纖毛的底部，轉運到外段非常重要。且此作用對纖毛光感受器的維持、穩(wěn)定和代謝具有長期的影響。在色素性視網膜炎中RP2的缺失和Arl3的失調破壞了高爾基復合體的內聚力，導致高爾基體破碎，影響了纖毛蛋白(如IFT20)的位置和轉運，而細胞纖毛轉運蛋白20(intraflagellar transport 20，IFT20)同時也具有調節(jié)高爾基體的結構和轉運的功能，二者相輔相成。高爾基網絡(trans golgi network，TGN)的碎片化會導致分揀錯誤和貨物裝載到小泡上的受損，從而剝奪重要的細胞細胞器(如光感受器纖毛蛋白質)，導致光感受器纖毛的逐漸退化隨后出現(xiàn)視網膜變性。所以，進一步研究應該關注RP中導致高爾基體破碎相關的信號通路的調控機制以及IFT20是如何影響高爾基體的結構與功能的，探究抑制高爾基體解體是否可以作為防控纖毛退化，視網膜變性的一個可行目標。

3.2 高爾基體和糖尿病病視網膜病變 糖尿病性視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)是目前成年人視力不可逆喪失的主要原因之一。糖尿病視網膜病變是一種影響視網膜血管系統(tǒng)、神經元和膠質細胞正常功能的復雜疾病。高血糖、晚期糖基化終產物(glycosylation end products，AGEs)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等多種因素參與了糖尿病視網膜病變的發(fā)病過程[10]。在糖尿病視網膜病變中，高血糖致使內皮細胞功能障礙、凋亡，最終導致視網膜微血管系統(tǒng)的丟失[11]。學者[12]認為VEGF是糖尿病視網膜病變晚期增強血管通透性和內皮細胞存活、增殖、遷移和新生血管形成的關鍵介質。

VEGF家族成員與細胞表面受體結合，調節(jié)生理和病理血管生成。眾所周知，糖尿病視網膜病變中，內皮細胞中有大量的新生血管生成，這是由于高血糖誘導血管內皮生長因子受體2(vascular endothelial growth factor，VEGF2)在高爾基體的積累，并與高爾基體標記物共定，此外，新合成的VEGF2從高爾基體運輸?shù)劫|膜被激活[13]，它的質膜水平受高爾基體的內吞和分泌轉運調節(jié)。因此新合成的VEGFR2向細胞膜的轉運似乎是血管生成的重要限制因素。到目前為止，VEGF2轉運通過高爾基體的機制仍未完全確定。最近的幾項研究陸續(xù)揭示了VEGFR2從高爾基體到細胞膜轉運的分子機制。其中一項，突觸融合蛋白6 (Syntaxin-6)是一種高爾基定位的靶膜可溶性n -乙基馬來酰亞胺附著蛋白受體(t-SNARE)蛋白。當Syntaxin-6受到抑制，會干擾VEGFR2轉運至細胞膜，向溶酶體降解。在另一項研究中，已證明kinesin家族加端分子馬達(kinesin-3 motor protein，KIF13B)可以將VEGFR2從高爾基體運送到細胞膜表面。具體來說，KIF13B是將VEGFR2從高爾基體轉運到內皮細胞表面所必需的分子馬達，在微管上直接與VEGFR2相互作用，在內皮細胞表面介導血管生成[14]，但是研究[15]證實，KIF13B介導的VEGFR2轉運到質膜只在VEGF激活后才出現(xiàn)。KIF13B缺失對含VEGFR2囊泡的結構運輸沒有影響，這表明在沒有VEGF刺激的情況下發(fā)生的VEGFR2基礎運輸與KIF13B無關。綜上兩種轉運途徑，目前并沒有研究證明syntaxin-6和KIF13B將VEGFR2從高爾基體運送到細胞膜表面之間的關系，但在將VEGFR2轉運到質膜的運輸周期的不同時期，SNARE機制和KIF13B可能以一種相互排斥的方式發(fā)揮作用。

3.3 高爾基體與老年黃斑變性 老年黃斑變性(age-related macular degeneration，AMD)是導致50歲以上老年人中心視力下降，不可逆失明的最主要原因之一[16]。其中干性AMD發(fā)展到晚期會出現(xiàn)地圖樣萎縮，盤狀變性等，導致視力嚴重下降。而慢性炎癥是導致干性AMD進展的主要病因[17]。最新研究[18]表明，在神經退行性疾病中，隨著Aβ的沉積，Aβ誘發(fā)Ca2+涌入,激活鈣蛋白酶使得CDK5磷酸化，從高爾基體結構蛋白GRASP65失活，進而促進高爾基體解體，這一過程損害了許多基本蛋白的分類、運輸、修飾和分泌通路的完整性，從而激活炎癥反應。

炎性小體是控制炎癥反應和天然免疫防御的多蛋白信號平臺，是一種存在于受刺激的免疫細胞胞漿中的高分子量復合物[19]。這種復合物是由模式識別受體組裝而成，在檢測到宿主細胞胞漿中的致病微生物和危險信號后，它們激活炎性效應凋亡蛋白酶(caspases)產生細胞因子，啟動下游反應，誘發(fā)細胞凋亡[20]。NOD樣受體3(NOD like receptor pyrin domain-3 ，NLRP3)炎癥小體的不同之處在于它可以由多種不同的刺激觸發(fā)[21]，但考慮到這些刺激因素的化學和結構多樣性，以及缺乏NLRP3直接與任何這些分子相互作用的證據，NLRP3被激活的機制仍然未知。而在最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究[22]表明，跨高爾基體網絡(trans-golgi network， TGN)的分散是不同激動劑作用下激活NLRP3早期所需要的常見應激事件。NLRP3刺激下游的新的共同細胞信號:TGN解體成各種分散的結構，形成dTGN，NLRP3通過其保守的多堿性區(qū)域與dTGN上帶負電荷的磷脂酰肌醇-4-磷酸(PtdIns4P)之間的離子鍵作用被募集到分散的TGN (dTGN)中。然后dTGN作為NLRP3聚合成多個小點的支架，誘導適配器蛋白ASC聚合，從而激活下游信號級聯(lián)。dTGN上的NLRP3和PtdIns4P相互作用的中斷阻斷了NLRP3的聚集和下游信號。這些結果[23]表明，NLRP3向dTGN的募集是一種早期的、常見的細胞事件，致使NLRP3在不同刺激下聚集和激活。文獻證明，在干性AMD的患者視網膜中存在Aβ淀粉樣變性，以此筆者猜想，在干性AMD中，Aβ誘發(fā)炎癥導致高爾基體解體，解體的高爾基體進一步募集炎癥小體，促發(fā)炎癥級聯(lián)反應，加重AMD。因此，挽救有缺陷的高爾基體可能會延遲干性AMD的發(fā)展，此想法有待本課題組進一步驗證。

3.4 高爾基體與視紫紅質轉運 視紫紅質是一種在內質網(endoplasmic reticulum，ER)上合成和折疊的七次跨膜蛋白，是光感受器細胞的重要分子組成部分，在內質網折疊的視紫紅質被動轉運至高爾基體，而從內質網中轉出的視紫紅質可能是通過COPII被膜介導[24]。在高爾基體內視紫紅質與ADP 核糖基化因子4(ADP-ribosylation factor 4，Arf4)、Rab11家族相互作用蛋白-3(family interacting protein-3，F(xiàn)IP3)、腺苷二磷酸核糖基化因子鳥苷酸激酶1(adenosine diphosphate ribosylation factor guanylate kinase 1，ASAP1)、Rab家族蛋白8(rab-family proteins 8，Rab8)和鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factor，Rabin8)相互作用[3]，在高爾基體網絡中形成視紫紅質轉運載體。其中Arf4的結合是轉運視紫紅質的關鍵步驟，它促進了ASAP1、Rab11、Rabin8、Rab8等聚集到視紫紅質轉運載體上，并且在ASAP1的作用下，形成Rab11-Rabin8-Rab8復合物，該復合物將視紫紅質靶向運輸至纖毛[25]，其中IFT20對于視紫紅質靶向運輸至纖毛至關重要。IFT20通過一種卷曲的蛋白Elipsa間接與Rab8結合。Elipsa位于纖毛，與IFT20和Rabaptin5結合，其中Rabaptin5可以與Rab8相互作用。因此，IFT20可能將高爾基體中的視紫紅質轉出高爾基體，并將視紫紅質轉運載體傳遞到纖毛基部并在此過程中發(fā)揮重要作用[26]。視紫紅質在高爾基體內的這種精細轉運，對于維持眼部正常的視物能力至關重要。

3.5 高爾基體與干眼癥 干眼癥是由于淚液分泌不足或質量下降導致的角膜干燥或結膜受損。其發(fā)病機制包括淚膜的高滲透性和眼表及淚腺的炎癥[27]。干眼癥在臨床上分為兩種亞型:一種是淚液分泌減少(水缺乏)，另一種是淚液蒸發(fā)增加(過度蒸發(fā))[28]。

DNA損傷誘導蛋白(DNA damage-inducible protein,GADD34)是一種應激誘導的磷酸酶PP1的調節(jié)亞基，在高滲透應激中發(fā)揮作用，促進應激適應[29]。對于細胞外滲透壓變化極為敏感的角膜上皮細胞來說，適應高滲透壓對維持其正常功能和形態(tài)至關重要，而細胞外滲透壓的變化會導致干眼癥[30]。GADD34在高滲透應激期間促進內質網上合成的蛋白質加工。GADD34/PP1磷酸酶活性可逆轉高滲透壓誘導的高爾基體碎裂，并對鈉偶聯(lián)中性氨基酸轉運體2(sodium-coupled neutral amino acid transporter 2 ，SNAT2)的順式高爾基體到反式高爾基體運輸起到重要作用，從而促進SNAT2質膜定位和功能[31-32]。未來的研究將確定GADD34/PP1如何在高滲透環(huán)境中調控細胞骨架動力學，從而促進高爾基體完整性，確保滲透適應的成功啟動。除了在眼病方面的研究成果外，筆者發(fā)現(xiàn)GADD34/PP1在高爾基體中的作用揭示了一種未被認識的分子機制，該機制可以控制細胞對應激誘導的高爾基體斷裂的敏感性，從而以細胞類型特異性的方式影響疾病的發(fā)展。

4 結語與展望

在這篇綜述中，多種研究表明，不應該把高爾基體簡單的看作處理蛋白質和脂質的細胞器。相反的是完整的高爾基體參與了許多眼部疾病發(fā)病的關鍵步驟，如信號轉導，影響神經因子分泌，質膜轉運等。從這些方面說明高爾基體為研究眼部疾病開辟了新的路徑。然而，高爾基體的完整性遭到破壞，將會導致蛋白質的加工轉運出現(xiàn)障礙，細胞器膜的結構等出現(xiàn)改變，使細胞的功能下降，細胞壞死。因此，從高爾基體的結構完整性上來防控這些損傷，可從病因上更好的獲取治療方法。但目前對于高爾基體的研究尚不成熟，還需大量的實驗性研究來驗證。