跨膜蛋白43的研究进展

赵克学， 梁浩勤， 李琼毅, 冯若飞

(1. 西北民族大学 生物工程与技术国家民委重点实验室， 兰州 730030； 2. 西北民族大学 生命科学与工程学院， 兰州 730030； 3. 甘肃省动物细胞工程技术研究中心， 兰州 730030)

膜蛋白作为一种重要的功能性蛋白, 是多种信号分子的受体,构成了多种离子的跨膜通道。在细胞间参与调节物质和信息的交换,在机体中发挥多种生物学功能，如代谢调节、生长调控、免疫应答等。跨膜蛋白43(TMEM43)也被称为LUMA，是一个发现较晚的功能蛋白，它是由TMEM43基因编码的,大小为45 ku的唯一完整的核膜蛋白，在物种之间高度保守[1]。目前对该蛋白的功能及相关特性的研究报道还很缺乏，现已知该基因的突变能导致人的某些疾病发生，因此本文主要对TMEM43与目前致心律失常性右心室心肌病(Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy， ARVC)、金刚砂-德雷福斯肌营养不良疾病 ( Emery-dreifuss muscular dystrophy，EDMD)及跨膜蛋白的相关研究进行综述,有助于后期研究者对该蛋白的认识和了解。

1 TMEM43的基因构成

TMEM43的基因是位于NM_024334,大小为 3343 bp的mRNA,在人体中，该基因能编码跨膜蛋白43，也被称为智能人类跨膜蛋白43(TMEM43)。人类TMEM43基因的最长亚型包括12个外显子，在物种之间高度保守，这个保守基因在原核及真核物种中都存在[2]。该基因属于TMEM43家族，它的缺陷是家族性致心律失常性右心室发育不良5型(ARVD5)的病因。也称为致心律失常性右心室心肌病5型(ARVC5)。TMEM43基因含有PPARγ(一种脂肪生成转录因子)的应答元件，解释了心肌细胞发生脂肪变[3]，这是ARVC中的一种特征性病理发现。虽然对TMEM43域结构了解甚少，但研究发现该基因S358L(即第358位上的丝氨酸变为亮氨酸)突变对心肌功能是有害的[2]。然而，目前有关TMEM43基因产物的功能认识却十分有限。

2 TMEM43蛋白的结构和组织分布

TMEM43蛋白包括4个跨膜结构域和一个较大的亲水胞质结构域，是含有400个氨基酸所组成的膜蛋白，经氨基酸比对结果提示人源TMEM43蛋白与鼠源TMEM43蛋白具有98%的同源性[4]。通过基因组学的方法，将TMEM43鉴定为支架蛋白CARMA3结合蛋白[5]。生物信息学分析表明TMEM43是细胞质膜蛋白，它具有多种潜在的翻译后修饰位点，与其他跨膜蛋白不同的是TMEM43没有钙黏蛋白域[6]。蛋白组学筛选试验已证实TMEM43在核膜上也有存在[7]。在各种细胞系中，TMEM43定位在内核膜及内质网中[8]，发现该蛋白也存在于细胞内质网膜上,主要在心脏成纤维细胞和冠状血管平滑肌细胞中广泛表达,在胎盘中的表达最为显著，但骨骼肌中无法检测到[1,9]。

3 TMEM43的生理功能

TMEM43是介导表皮生长因子受体(EGFR)诱导NF-κB的活性和肿瘤进展的一种关键的信号分子, 通过使用双分子荧光互补功能基因组学方法高通量筛选，将TMEM43鉴定为EGFR信号网络中的关键组分[5]。研究发现，TMEM43与支架蛋白CARMA3激活下游NF-κB的活性并在控制细胞的生存方面起着至关重要的作用[4]。通过在HEK293T细胞中进行NF-κB报告基因检测，发现TMEM43单独过表达与CARMA3相似，可以诱导NF-κB的活化。此外，TMEM43的高表达与脑肿瘤密切相关，它的表达抑制了肿瘤在体外和体内的生长[5]。

4 TMEM43与疾病的关系

4.1 TMEM43与ARVC的相关研究

心律失常性右心室心肌病(Arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy，ARVC)主要累及心室，是以室性心动过速、突发性心脏死亡及心肌的纤维脂肪性替代，并伴有阵发性室性心律失常和心源性猝死为主要特征的遗传性疾病[10]。目前，基因检测作为ARVC疾病检测的重要手段[11]，自2000年明确第一个致病基因以来，至今已发现与ARVC患者临床表型相关的有9个基因包括800多个位点的突变[12]。这些基因位点的突变主要是由编码桥粒蛋白基因所导致的，包括盘状球蛋白基因Plakoglobin(JUP)、桥粒斑蛋白基因Desmoplakin(DSP)、血小板亲和蛋白基因Plakophilin-2(PKP2)、桥粒芯糖蛋白基因Desmoglein-2(DSG2)和桥粒芯胶蛋白基因Desmocollin-2(DSC2)。然而最近的研究发现非编码桥粒蛋白的基因也与ARVC的致病性息息相关，包括转化生长因子β-3(TGFβ3)[13]、跨膜蛋白43(TMEM43)[6]。Franke也证明了TMEM43的突变是造成心肌病的主要原因[14]。但在非桥粒蛋白基因突变引发的ARVC患者中，只有TMEM43与ARVC的关系比较明确。

2008年以来，研究发现ARVD5位点上的心肌病是由TMEM43的错义突变引起的，他们在纽芬兰地区的ARVC患者和正常的健康者中，提取白细胞和心肌组织的TMEM43全长DNA，其中在ARVC患者中鉴定出TMEM43在第1073位上的C碱基突变为T碱基，导致了第358位上氨基酸的替换，使丝氨酸变为亮氨酸，且在该位点上TMEM43基因高度保守，该保守基因在哺乳动物、鸟类、两栖动物及昆虫中被发现，且突变发生在第3个跨膜域中[6]。TMEM43错义基因突变是ARVC的重要原因, 相关数据表明在死亡或接受心脏移植的ARVC患者中，60%是由于TMEM43突变造成的[15]。为了确定TMEM43突变导致ARVC，Haywood等[16]对来自英国的143例ARVC患者和来自纽芬兰的55例患者进行了TMEM43双向测序,发现大部分位于TMEM43的非编码区中。临床研究也发现丹麦地区ARVC患者中有1/4是TMEM43基因突变引起的，而在健康群体中没有发现TMEM43 基因的突变，说明TMEM43突变对心肌功能是有害的[17]。2011年，Christensen等人对TMEM43基因的11个变异序列进行鉴定，发现有两个杂合的变异序列存在，一个是异常的剪接位点变异(c.705+7G>A;r.spl)，该变异影响第8内含子剪接供体位点；另一个是错义的突变(c.1073C>T;p.S358L)定位在TMEM43第三跨膜域中并反映不同极性的氨基酸，且该位点在所有生物体中高度保守[18]。在免疫组织化学实验中，TMEM43的特异性抗体在肌纤维膜上表现出浓染，而TMEM43阳性患者中，TMEM43和盘状球蛋白的免疫反应信号水平下降，这种下降在p.S358L突变者中非常明显。该发现提示与ARVC相关的TMEM43和桥粒可能共享最终的分子通路[4]。

最新一项研究发现在TMEM43基因p.S358L突变的人群中，心肌细胞受损严重，但是由于该研究样本量较小，因此共检测出2例非编码桥粒蛋白基因突变，分别是TMEM43基因和TGF-β3基因，该两例患者均为多突变携带者[17],且该位点的突变最近在ARVD5患者中被鉴定[19]，它的突变影响参与传导的蛋白质的定位，改变间隙连接功能，从而降低心肌组织的传导速度[20]。Milting等人用显微技术分析了皮肤成纤维细胞，与TMEM43野生型相比，发现p.S358L突变型的细胞核硬度增加，证明这与心肌细胞的大量减少有关[21]。此外，还发现TMEM43的双突变导致胎儿右心室动脉瘤区域性收缩功能下降和室性心律失常，该突变在患者母亲中也得到证实，因此他们被诊断患有ARVC[22]。国外的一项针对TMEM43基因相关的ARVC的病例分析表明，在猝死的高危性上，性别差异非常显著，病例中男性患病人数明显比女性患病人数要多[17]。为确定TMEM43在心脏中所起的作用，研究人员在小鼠心肌细胞中瞬时表达TMEM43，发现TMEM43对小鼠心脏发育不是必需的，单独的突变也不会导致小鼠的心肌病[23]。

上述各项研究表明，TMEM43基因的突变与ARVC息息相关，但它的功能及其与ARVC的致病机制知之甚少。通过全基因组扫描过氧化物酶体增殖子反应元素，证明PPARγ(脂肪生成转录因子)有1085个潜在的靶基因，其中包括TMEM43[3]。因此可以假设TMEM43是PPARγ所控制的脂肪形成通路的一部分，那么这种通路的失调可能导致ARVC患者出现心肌纤维被脂肪所代替。这一发现对研究TMEM43突变与ARVC致病机制间的关系开辟了一个新方向。

4.2 TMEM43与金刚砂-德雷福斯肌营养不良的相关研究

金刚砂-德雷福斯肌营养不良(Emery-dreifuss muscular dystrophy,EDMD)主要以肌肉营养不良、关节挛缩以及具有传导缺陷的潜在致命扩张型心肌病为特征，是一种遗传异质性神经肌肉错乱[8]。在EDMD中，5种致病基因被鉴定与EDMD发病相关，包括EMD、LMNA、SYNE-1、SYNE-2及FHL1，分别编码伊默菌素、A型核纤层蛋白、nesprin-1、nesprin-2和LIM域1[24]。除了FHL1外，所有的蛋白都是核膜蛋白，伊默菌素为内核膜蛋白，在维持核结构完整性上发挥了重要的作用。核纤层蛋白即LMNA不仅能导致相关肌肉疾病，如影响骨骼肌、心肌、周围的神经，或者是一些脂肪组织，而且还能导致EDMD[25]。那么，这些蛋白是否与TMEM43相互作用进而影响疾病的发生是目前研究的核心。Liang等人研究发现，TMEM43突变可能导致心脏传导缺陷，这是EDMD的特点之一[26]。除此之外，TMEM43突变被认为是EDMD相关肌病的致病机制之一[23]。

Liang等[26]鉴定出两个EDMD相关肌病患者出现TMEM43基因的错义突变，这两种突变与EDMD相关性肌病有关，主要涉及骨骼肌和心肌。先前也有过报道，TMEM43跨膜区域基因的突变，即p.Ser358Leu造成了ARVC5型，ARVC-5与跨膜蛋白43基因中的突变偶联[27]，但是没有涉及骨骼肌等的症状，这表明了TMEM43的不同区域可能会涉及不同的生物学功能，甚至导致不同的显型。

5 TMEM43与伊默菌素及核纤层蛋白之间的相互作用研究

除此之外，TMEM43作为内质网腔中的核膜蛋白，有助于通过在INM中组织蛋白复合体来维持核膜结构[28]。有研究者同时对其他核膜蛋白及其与TMEM43之间的相互作用进行研究，发现TMEM43与其他的核膜蛋白有着密不可分的关系，如核纤层蛋白和伊默菌素[29]。Mewborn和他的同事发现定位在13号染色体上的核纤层蛋白A突变体的基因出现了错误的表达，这有可能会导致核纤层蛋白病[6]。核纤层蛋白病有广泛的表型谱，包括扩张型心肌病、金刚砂-德雷福斯肌营养不良、肢带型肌营养不良及过早老化等[30-31]。然而近期证据表明TMEM43突变包括扩张型心肌病和不明原因的突发性心脏死亡。核纤层蛋白以二聚体形式存在，具有3种类型，分别为A、B、C型，其中，核纤层蛋白A和C是由同一个转录单位所编码的，通过可变剪接而形成不同的mRNA。核纤层蛋白被广泛地研究主要是因为Lamin A/C导致扩张型心肌病[32]，Lamin B维持核形状和机械完整性[33]，这一特性更有助于研究与TMEM43的互作。此外，有研究发现伊默菌素的突变同样会造成金刚砂-德雷福斯肌营养不良且TMEM43影响伊默菌素的分布[6]，进而可以推断TMEM43的突变也会导致肌肉萎缩症。不管是核纤层蛋白还是伊默菌素，它们与TMEM43的相互作用及43的突变是否会影响它们的分布，都需要进行广泛而深入的研究。

6 小结

TMEM43是广泛存在于生物膜中的一种跨膜蛋白，该蛋白参与细胞的多种生理功能，并且其编码基因的突变也与部分临床疾病相关。但是由于TMEM43发现较晚，因此对这种蛋白的认识非常有限。已有的研究表明TMEM43的编码基因突变可导致全外显性的心率失常性右心室心肌病和肌营养不良性疾病，还发现与其他跨膜蛋白存在相互作用，我们在相关实验中也发现TMEM43与病毒感染存在一定的相关性。综上所述，深入研究TMEM43的生理功能及其与疾病的关系，从而对致病机制研究和临床早期诊断提供理论参考。