PNAS：天津科技大学樊振川实验室揭示纤毛信号蛋白通过RABL2-ARL3-BBSome框调控其逆向扩散跨越纤毛过渡区的分子机制

作为突起于真核生物细胞表面的一类拥有特化膜结构的细胞器，纤毛是细胞的信号天线。纤毛膜上锚定着不同类型的G蛋白偶联受体和离子通道等纤毛信号蛋白，使得纤毛可以感受光、声、味、机械力和各类化学分子如激素和神经介质等胞外信号，并将这些胞外信号传导到胞内进行应答。纤毛信号蛋白与分子马达蛋白驱动的鞭毛内运输（Intraflagellar transport，IFT）火车相偶联，得以沿纤毛微管轴突在细胞膜和纤毛膜之间动态运输，从而维持其纤毛稳态，保证其正常生理功能发挥。在这一稳态维持过程中，多蛋白复合物BBSome在纤毛信号蛋白货物和IFT火车之间充当连接体。

因此，BBSome组分缺失、组装缺陷或纤毛定位异常的基因突变均可引发信号蛋白纤毛稳态失衡，导致巴德-毕德氏综合症（Bardet-Biedl syndrome，BBS），其病症包括早发性肥胖，视网膜褪变、男性不育、心智发育迟缓和多趾等，少数患者还具有糖尿病、先天性心脏病和肾囊肿等症状。

天津科技大学樊振川实验室前期研究发现BBSome纤毛稳态维持调控主要落于5处过程，分别为：1）BBSome招募进入细胞基体过程；2）BBSome顺向跨越纤毛过渡区输入纤毛过程；3）BBSome在纤毛顶部重塑过程；4）BBSome在纤毛顶部转向过程；以及5）BBSome逆向跨越纤毛过渡区输出纤毛过程等。所有这些调控步骤中，小G蛋白均为关键调控因子。过去三年樊实验室的研究已经厘清：1）小G蛋白RABL5/IFT22和ARL6/BBS3协同招募BBSome定位于基体【1】；2）类转录因子LZTFL1和小G蛋白RABL4/IFT27协同调控BBSome纤毛顶部重塑【2】；3）小G蛋白ARL6/BBS3和ARL13协同调控BBSome纤毛顶部转向【3、4】；4）小G蛋白ARL3调控BBSome逆向扩散跨越纤毛过渡区输出纤毛【5】等。樊实验室在这些研究过程中发现：同一小G蛋白可在纤毛的不同部位参与对BBSome纤毛稳态的调控，甚至可在纤毛的同一部位调控不同信号蛋白进出纤毛。

ARL3是Ras超家族Arf亚家族小G蛋白，在具纤毛生物中高度保守。早期研究表明ARL3介导信号蛋白输入纤毛。ARL3与其纤毛近端效应物PDE6D和UNC119A/B结合可诱导其效应物脂化蛋白货物锚定于纤毛膜。此过程中，ARL3利用RP2和ARL13b为其GTP酶激活蛋白和鸟嘌呤核苷酸交换因子，维持其核苷酸循环。目前人们普遍认为ARL13b-RP2-ARL3框的基因突变破坏了脂化蛋白纤毛膜锚定从而导致朱伯特综合征（Joubert syndrome，JBTS）。

有意思的是，樊实验室近期发现ARL3亦可介导BBSome依赖的信号蛋白纤毛输出。具体而言，ARL3利用纤毛近端与脱离IFT的BBSome为效应物，招募BBSome逆向扩散跨越纤毛过渡区以输出纤毛，从而维持纤毛信号分子磷酸酯酶D（PLD）的纤毛稳态【5】。类比到人类细胞中，ARL3可通过调控BBSome逆向扩散穿越纤毛过渡区来维持刺猬信号通路纤毛稳态。据此，某些特定的ARL3基因突变可能只破坏ARL3介导的脂化信号蛋白输入纤毛途径导致朱伯特综合征，只影响ARL3介导的BBSome依赖的刺猬信号蛋白输出纤毛途径而引发巴德-毕德氏综合症，或者是同时破坏了这两条途径。这也许就是某些ARL3基因突变病患同时具有巴德-毕德氏综合症和朱伯特综合征两种疾病症状背后的遗传因素。中科院分子细胞科学卓越创新中心朱学良课题组于2022年报道了小鼠Rabl2调控BBSome依赖的刺猬信号蛋白逆向跨越纤毛过渡区以输出纤毛【6】。这些研究表明ARL3和RABL2可能在BBSome逆向扩散穿越纤毛过渡区输出纤毛这一过程中串话，但具体的分子机制未被阐明。

2023年8月14日，天津科技大学樊振川实验室在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了题为：RABL2 Promotes the Outward Transition Zone Passage of Signaling Proteins in Cilia via ARL3 的研究论文。

该研究利用进行纤毛生物学研究的经典模式生物莱茵衣藻，通过分子、细胞、遗传、生化和活细胞成像的方法，发现：1）RABL2在胞体利用IFT火车IFT-B1复合物为其效应物，在结合GTP时（RABL2GTP）招募IFT-B1定位细胞基体；2）RABL2GTP作为IFT-B1的货物蛋白以IFT方式运输进入纤毛并在纤毛内循环；3）当RABL2GTP从逆行IFT火车转运至纤毛过渡区上方时，RABL2GTP与IFT-B1分离使得RABL2GTP得以从逆行IFT火车脱落，之后水解GTP转化为RABL2GDP；4）RABL2GDP作为ARL3的鸟嘌呤核苷酸交换因子激活ARL3GDP，使其转变为ARL3GTP从而与纤毛膜分离进入纤毛基质；5）ARL3GTP招募搭载了PLD的BBSome为其效应物以扩散的方式跨越纤毛过渡区输出纤毛；以及6）RABL2GDP本身作为BBSome的货运蛋白结合ARL3GTP/BBSome复合体输出纤毛，完成其在纤毛循环过程（见图1和图3）。此外，该研究还利用这一衣藻系统对引发类似巴德-毕德氏综合症的两个小鼠Rabl2突变进行了分子水平的功能缺陷鉴定（图2）。

图1: RABL2GDP激活ARL3促进装载有PLD的BBSome扩散输出纤毛过渡区

信号蛋白PLD通过RABL2-ARL3-BBSome框介导的逆向扩散输出纤毛过渡区这一机制的发现，解释了为何Rabl2基因突变小鼠发展为类似于巴德-毕德氏综合症而非朱伯特综合征的症状【6】。如果这一机制的确在人类细胞中存在，该发现则可很好地解释为什么某些ARL3基因突变可以引发巴德-毕德氏综合症和朱伯特综合征共享的临床症状，这一发现亦可为针对巴德-毕德氏综合症和朱伯特综合征致病基因进行分子诊断时的基因分型提供理论依据，并为日后针对巴德-毕德氏综合症和朱伯特综合征的精准医疗药物开发提供指导。

图2: RABL2突变破坏RABL2-ARL3-BBSome框介导信号蛋白输出纤毛的分子机制鉴定

图3: RABL2激活ARL3促进装载有PLD的BBSome扩散输出纤毛过渡区模式

天津科技大学樊振川教授为该论文的通讯作者，博士研究生张瑞凯和孙维越为论文的共同第一作者，天津科技大学刘雁霞副教授和美国亚利桑那州汉密尔顿高中的Emma Y. Zhang参与了本文的研究工作。该研究得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

樊振川教授硕博士均获自Auburn University生物医学专业，后曾在Texas A&M University和The University of Texas Health Science Center at Houston进行博士后研究。2013年引进天津科技大学并组建校-市-国家三级大健康生物技术国际科技合作平台，任创始所长（主任）。曾出任政府间国际组织-国际遗传工程和生物技术中心（ICGEB）科学顾问委员会委员（2017-19）；担任国务院牵头组织国际大科学计划和大科学工程规划领域战略研究资深编纂专家组（农业组）专家成员（2018-20）；并应邀出席第二届世界顶尖科学家论坛（WLF，2019）。樊教授目前担任Frontiers Cell Dev. Biol.等三种国际期刊副主编/编委，长期为包括 Science、Nature、Cell、PNAS、 JCB、Dev. Cell、EMBO J 和 EMBO Reports 等在内的知名期刊把关稿件。

樊教授长期从事纤毛生物学及纤毛信号转导分子机制研究，其相关研究成果系列化发表于 PNAS、JCB 和 eLife 等国际著名学术期刊，系统全面地解析了信号蛋白依赖IFT/BBS体系维持纤毛稳态的全景分子机制，截止到目前已发现了5个缺陷导致巴德-毕得氏和朱伯特综合征的纤毛信号通路调节点，鉴定了6个关键纤毛小G蛋白调节器/成药靶点及它们之间的串话关系，其原创科研成果极大地推动了人们对纤毛信号转导的认知和纤毛病致病分子机制的理解，为该领域全球最前沿位置的科学家之一。