J Cell Biol丨FUT8介导的核心岩藻糖基化修饰通过稳定TMEM67介导纤毛发生|介导|基化|纤毛|细胞|膜蛋白

近日，南开大学生命科学学院周军教授和山东师范大学赵慧杰教授团队合作，在 Journal of Cell Biology 杂志上发表了题为FUT8-mediated corefucosylationstabilizes TMEM67 to promoteciliogenesis的文章。该研究发现N-糖基化修饰和纤毛发生之间存在联系，并详细阐述了FUT8介导的核心岩藻糖基化修饰提高跨膜蛋白67（ TMEM67 ）蛋白稳定性的分子机制，揭示了糖基化修饰调控纤毛发生的新机制。这一成果为膜蛋白和糖基化的研究领域、纤毛发生机制和纤毛病的诊断和治疗提供了新的见解。

膜蛋白是生物体必不可少的一类组分，具有相当重要的功能。膜蛋白合成过程中，会发生多种类型的蛋白质翻译后修饰（ PTM ），其中， N- 糖基化修饰是膜蛋白最具有代表性的 PTM 之一，仅发生在跨膜蛋白胞外结构域的特定氨基酸基序中的特定天冬酰胺（ Asn ）残基上。在复杂多样的 N- 糖基化修饰类型中，由岩藻糖基转移酶 8 （ FUT8 ）专一介导的核心岩藻糖基化修饰常常会赋予膜蛋白正常的结构和生理功能，比如蛋白构象、蛋白稳定性和亚细胞定位等。具有该修饰的蛋白质仅会是膜蛋白和分泌蛋白，如肿瘤标志物甲胎蛋白（ AFP ）、各种生长因子的受体如 TGBR 和细胞连接相关蛋白如 E-cadherin 等。 FUT8 的表达水平具有高度疾病相关性，在多种病变过程中表达水平过量上调，如癌症和纤维化等。因此， FUT8 和它的下游底物可能是疾病诊断和治疗的潜在靶点。

纤毛是一类基于微管的特化细胞器，在生物体内广泛存在。动纤毛可以介导异物排出、液体流动和细胞的运动，如气管上皮细胞、输卵管上皮细胞和精子；静纤毛依靠其特化细胞膜上丰富的受体蛋白，作为细胞天线感受复杂的外界信号。纤毛的早期发生是一个复杂的生理过程，涵盖了细胞周期变化、细胞信号转导、细胞骨架重塑和特定基因的时空表达变化等。其中，当纤毛准备从母中心粒向细胞膜外部顶起并延伸之前，需要一种如同闸门的结构 —— 纤毛过渡区，它可以控制纤毛内部各种物质的进或出。纤毛过渡区中富含跨膜蛋白，如 TMEM67 ，这些蛋白有序堆积在一起，共同形成了致密的筛网状结构，从而介导物质的选择性扩散。

纤毛病是纤毛缺陷导致的疾病，对人体的伤害极度严重。由于纤毛在体内几乎无处不在，纤毛病具有遗传连锁性、高诊断和预防难度和多器官发病等棘手的临床诊疗特点。纤毛病患者的身体发育严重受损，如内脏异位、脑积水、多指畸形和器官纤维化等。纤毛过渡区决定了纤毛是否可以正常发生，因此过渡区蛋白常常是纤毛病的 “ 罪魁祸首 ” 。因此，确保这些过渡区蛋白的正常生理特性是至关重要的。有哪些过渡区蛋白具有核心岩藻糖基化修饰？该修饰又是否能保护它们？通过保护该修饰是否能确保纤毛正常发生？带着这些疑问，研究者开展了如下课题。

该研究发现， FUT8 介导的核心岩藻糖基化修饰水平在细胞的纤毛发生过程中逐渐上调，且 FUT8 的一些底物定位于纤毛过渡区。随后，研究者通过蛋白质谱鉴定得到一系列纤毛过渡区蛋白是 FUT8 的潜在底物，并从其中选取丰度最高的 TMEM67 进行代表性下游探究。研究者进一步明确了 FUT8 修饰 TMEM67 的具体位点，即蛋白序列第 179 位的 Asn 残基。当该位点被突变后，核心岩藻糖基化修饰缺陷的 TMEM67 无法定位到纤毛基底部，纤毛发生受阻。深入研究表明，修饰缺陷会导致 TMEM67 蛋白稳定性下降，从而加快 TMEM67 经由自噬 - 溶酶体途径的降解速率。最后，研究者通过基因编辑技术构建了 Fut8 基因敲除小鼠，并发现这些小鼠的各种富含纤毛的组织均有一定程度的纤毛缺陷和病变，并且，在细胞水平上通过过表达 FUT8 或 TMEM67 ，可以挽救这样的缺陷。