機械敏感性離子通道TMEM63A在髓鞘形成障礙相關(guān)疾病中的作用*

王君宇 延會芳 張 鈺 段若愚 王靜敏**

（1）北京大學(xué)第一醫(yī)院兒科，北京 100034；2）首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，北京 100045）

跨 膜 蛋 白63（transmembrane protein 63，TMEM63）蛋白家族成員有TMEM63A、TMEM63 B、TMEM63C，其中TMEM63A是一個滲透壓感受器，被證實為機械敏感性離子通道（mechanosensitive ion channel，MSC），與髓鞘形成低下性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良（hypomyelinating leukodystrophy，HLD）相關(guān)，于2019年被命名為HLD19（OMIM#618688）［1］。除TMEM63A外，TMEM63B與TMEM63C均為蛋白質(zhì)編碼基因，倪鑫團隊［2］于2016年首次克隆出小鼠Tmem63b、Tmem63c。TMEM63B目前尚無相關(guān)疾病報道，TMEM63C是常染色體隱性遺傳痙攣性截癱87型（OMIM#619953）的致病基因［3］，也是局灶節(jié)段性腎小球硬化的生物標(biāo)志物［4］。本文將對TMEM63A在髓鞘形成障礙相關(guān)疾病中的研究進展進行綜述。

1 跨膜蛋白63A（transmembrane protein 63A，TMEM63A）

TMEM63A是一種蛋白質(zhì)編碼基因，位于染色體1q42.12（NM_014698.2），包含25個外顯子，全長37 188 bp，于1998年由Nagase等［5］首次從人腦cDNA文庫中克隆出來，并命名為KIAA0792。TMEM63A編碼的蛋白質(zhì)為TMEM63A蛋白，包含807個氨基酸，是一個10次跨膜蛋白，是細(xì)胞膜和溶酶體膜上表達的機械敏感性離子通道。

據(jù)報道，AtCSC1是擬南芥（OSCA）中一種具有多個跨膜螺旋域的完整膜蛋白，經(jīng)高滲透壓刺激激活，介導(dǎo)Ca2+跨膜轉(zhuǎn)運，在OSCA介導(dǎo)的Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮重要作用［6-7］。作為AtCSC1和OSCA的哺乳動物同源蛋白，TMEM63A與上述兩種蛋白質(zhì)具有相同或相似的陽離子通道特性［7］。TMEM63A與OSCA均包含功能未知功能域221（domain of unknown function 221，DUF221），既往研究表明，DUF221家族蛋白是一種滲透壓敏感的Ca2+通道［6］，高滲透壓刺激下介導(dǎo)細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流［2，6］。與OSCA類似，TMEM63A蛋白被機械刺激如局部細(xì)胞膜牽張刺激、高滲透壓刺激等激活，產(chǎn)生電流［8-10］?，F(xiàn)有在HEK293T細(xì)胞系上的研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)染野生型TMEM63A的細(xì)胞經(jīng)拉伸機械刺激的誘發(fā)產(chǎn)生電流，在轉(zhuǎn)染TMEM63A變異的細(xì)胞中未能產(chǎn)生電流［1］。此外Murthy等［9］在2018年也發(fā)現(xiàn)，來自不同種屬如植物、蒼蠅和哺乳動物的TMEM63/OSCA家族同源物在HEK293T細(xì)胞中表達時會誘導(dǎo)機械激活電流，進一步證實了TMEM63A蛋白的MSC特性。

生理狀態(tài)下，TMEM63A參與多種生理活動，如介導(dǎo)陽離子轉(zhuǎn)運［9］、參與免疫功能以及疼痛發(fā)生［11］等。TMEM63A在細(xì)胞膜和溶酶體膜上高表達（https://www.proteinatlas.org/ENSG00000196187-TMEM63A/subcellular）。逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)（RT-PCR）和酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）實驗檢測到TMEM63A在所有被檢測的人體組織中均有表達，其中，大腦和腎臟中表達量最高［5］，故而TMEM63A在髓鞘發(fā)育中的作用也得到了研究者的廣泛關(guān)注。

2 髓鞘發(fā)育

髓鞘是脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)進化中的創(chuàng)新，最早在泥盆紀(jì)時期的有頜魚中發(fā)現(xiàn)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘由少突膠質(zhì)細(xì)胞胞膜伸出足突包繞神經(jīng)元軸突形成，外周神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘主要由施旺細(xì)胞形成［12］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，少突膠質(zhì)細(xì)胞的成熟首先由少突膠質(zhì)細(xì)胞前體（oligodendrocyte progenitor cells，OPCs）分化成為髓鞘前少突膠質(zhì)細(xì)胞（premyelinating oligodendrocytes，Pre-OLs），Pre-OLs進一步成熟產(chǎn)生大量胞膜包裹軸突形成髓鞘。研究表明，Ca2+具有促進OPCs分化成Pre-OLs的作用，Ca2+內(nèi)流對OPCs發(fā)育和髓鞘形成具有重要意義［13-14］。

髓鞘并非完全包裹軸突，神經(jīng)系統(tǒng)中髓鞘間無神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞包裹的部分稱為郎飛氏結(jié)（node of Ranvier）。動作電位沿軸突傳導(dǎo)的速度取決于髓鞘厚度和郎飛氏結(jié)間長度，髓鞘和郎飛氏結(jié)的產(chǎn)生實現(xiàn)了動作電位在神經(jīng)系統(tǒng)的跳躍式傳導(dǎo)，傳導(dǎo)速度增快促進了捕食和逃跑行為［15］。髓鞘是神經(jīng)系統(tǒng)電信號快速傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［16］。生理狀態(tài)下，除加速動作電位傳導(dǎo)外，髓鞘的另一重要作用是為被其包繞在內(nèi)的軸突提供營養(yǎng)支持，沒有這樣的軸突-神經(jīng)膠質(zhì)代謝耦合軸突很容易發(fā)生變性，導(dǎo)致功能異常［17-19］。

脂質(zhì)在髓鞘形成和發(fā)揮功能的過程中發(fā)揮十分重要的作用。真核生物細(xì)胞中脂質(zhì)的種類主要分為甘油磷脂（glycerophospholipids）、鞘脂（sphingolipids）和膽固醇（cholesterol）3大類，其中甘油磷脂的主要組分有磷脂酰膽堿（phosphatidylcholine，PtdCho）、磷 脂 酰 乙 醇 胺（phosphatidylethanolamine，PtdEtn）、磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine，PtdSer）、磷 脂 酰 肌 醇（phosphatidylinositol，PtdIns）和磷脂酸（phosphatidic acids，PtdOH）［20］。真核生物的質(zhì)膜由脂質(zhì)雙分子層組成，富含PtdCho（占磷脂的43%）、PtdEtn（21%）、鞘磷脂（sphingomyelin，SM）（23%）和PtdSer（4%）［21-22］。脂質(zhì)雙分子層是個脂質(zhì)非對稱分布的結(jié)構(gòu)，生理狀態(tài)下，PtdCho和SM主要分布于質(zhì)膜外側(cè)，PtdEtn和PtdSer主要分布于質(zhì)膜內(nèi)測［20，23-25］。大腦是人體中脂質(zhì)含量最豐富的器官，由于血腦屏障作用，腦內(nèi)的脂質(zhì)和脂蛋白代謝也與身體其他部位不同。髓鞘是大腦脂質(zhì)的最主要組成部分，髓鞘約占人腦干重的30%［26］，而髓鞘干重的70%~85%是脂質(zhì)［27］。在髓鞘中，髓鞘堿性蛋白（myelin basic protein，MBP）將大部分蛋白質(zhì)從致密結(jié)構(gòu)中擠出，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的總比例約為1∶186。少突膠質(zhì)細(xì)胞是髓鞘的主要構(gòu)成細(xì)胞，其合成的脂質(zhì)約占人腦總脂質(zhì)的40%［28］。人腦髓鞘中的主要脂質(zhì)除半乳糖酯（galactolipids）、膽固醇和含乙醇胺的縮醛磷脂（plasmalogens）外還有PtdEtn、PtdCho和SM［26］。不同脂質(zhì)在髓鞘形成、修復(fù)過程中發(fā)揮重要作用，如少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟和髓鞘形成過程、刺激少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞遷移促進髓鞘修復(fù)（磷脂酸鞘氨醇，sphingosine-1-phosphate，S1P）［25］、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與軸突的識別與連接（神經(jīng)節(jié)苷脂，ganglioside）［26］等。

病理狀態(tài)下，髓鞘形成障礙常伴隨疾病的發(fā)生，髓鞘形成障礙性疾病根據(jù)其臨床特征的不同主要分為髓鞘形成低下、髓鞘囊性化和髓鞘變性3大類［29-31］。髓鞘形成低下的患者頭顱核磁常表現(xiàn)為T2W相腦白質(zhì)高信號，T1W相信號強度與大腦皮層基本一致；髓鞘變性患者的頭顱核磁常表現(xiàn)為T2W相高信號，T1W相低信號；髓鞘囊性化患者頭顱核磁典型表現(xiàn)為腦白質(zhì)脫髓鞘表現(xiàn)。常見的髓鞘形成低下疾病有佩梅病、佩梅樣病、先天性白內(nèi)障伴髓鞘形成低下（hypomyelination with congenital cataracts，HCC）等；髓鞘囊性化的常見疾病有線粒體腦肌病、Kearns-Sayre綜合征、Canavan綜合征等；常見的髓鞘變性疾病包括Krabbe病、X連鎖腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良、異染性腦白質(zhì)營養(yǎng)不良［29-31］。其中，TMEM63A變異導(dǎo)致的HLD19屬于髓鞘形成低下型疾病。

3 TMEM63A在髓鞘形成障礙中的作用

TMEM63A變異據(jù)推測通過機械敏感離子通道和脂質(zhì)代謝與髓鞘形成障礙密切相關(guān)性。TMEM63A為HLD19的致病基因［1］，并且與免疫功能和疼痛的發(fā)生有關(guān)［12］。HLD是一類嬰幼兒期起病、以運動發(fā)育落后和腦白質(zhì)髓鞘化低下為特征的致死致殘性遺傳?。?2-33］，其主要臨床特征為發(fā)育遲緩、智力障礙，患者常見頭顱核磁伴隨表現(xiàn)為髓鞘發(fā)育落后。目前已報道24個HLD類型，其中TMEM63A變異導(dǎo)致的HLD19于2019年定位。HLD19患者的主要臨床表型為智力障礙/發(fā)育遲緩、眼震、肌張力低下，頭顱磁共振成像（MRI）提示彌漫性髓鞘化發(fā)育不良［11］，少數(shù)已報道患者伴癲癇［34-35］和脊柱MRI背側(cè)和外側(cè)脊柱脊髓髓鞘減少的表現(xiàn)［35］。與其他類型HLD不同，HLD19患者的部分臨床表現(xiàn)為“一過性”，即眼震、髓鞘化落后表現(xiàn)可隨年齡增長而逐漸改善甚至追趕發(fā)育至正常水平。

由于TMEM63A與OSCA為同源物，均為機械敏感性離子通道，具有相同的功能域，據(jù)推測，TMEM63A變異引起滲透壓改變和/或胞膜牽張刺激，激活TMEM63A蛋白的機械敏感性陽離子轉(zhuǎn)運通道，介導(dǎo)細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流［6，9］，導(dǎo)致細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流障礙，影響OPCs向Pre-OLs的分化，少突膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育和髓鞘的形成受到影響，最終導(dǎo)致HLD的發(fā)生［10］。

此外，脂質(zhì)在少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟和髓鞘形成過程、促進髓鞘修復(fù)、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與軸突的識別與連接等過程中發(fā)揮重要作用，據(jù)推測，當(dāng)TMEM63A變異引起細(xì)胞內(nèi)外陽離子分布異常時，細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境極性改變，可能影響正常脂質(zhì)分布，脂質(zhì)分布異常影響脂質(zhì)功能的發(fā)揮，進而在髓鞘形成的不同階段影響髓鞘形成、修復(fù)。

4 總 結(jié)

TMEM63家族成員TMEM63A與擬南芥為同源蛋白，是機械敏感性離子通道，在機械刺激下可介導(dǎo)陽離子的跨膜轉(zhuǎn)運，在髓鞘形成、免疫和疼痛的發(fā)生過程中發(fā)揮重要作用。髓鞘是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)，具有加速動作電位傳導(dǎo)和營養(yǎng)軸突的作用，Ca2+參與構(gòu)成髓鞘的少突膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和分化。髓鞘中富含豐富的脂質(zhì)，不同種類脂質(zhì)在髓鞘形成、修復(fù)和膠質(zhì)細(xì)胞與軸突識別過程中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)髓鞘形成異常時會導(dǎo)致不同類型疾病的發(fā)生，常見的髓鞘形成障礙疾病可分為髓鞘形成低下、髓鞘囊性化和髓鞘變性3大類。據(jù)推測，當(dāng)TMEM63A變異時，其編碼的TMEM63A蛋白因滲透壓改變、膜牽張刺激而激活陽離子通道特性，胞外Ca2+內(nèi)流入胞內(nèi)，影響少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化和成熟，導(dǎo)致髓鞘形成低下，同時，離子濃度的改變引起細(xì)胞內(nèi)外極性的變化，引起細(xì)胞內(nèi)外脂質(zhì)分布或功能異常，影響髓鞘形成、修復(fù)等環(huán)節(jié)，共同作用導(dǎo)致髓鞘形成或功能障礙。