高尔基体参与眼科疾病的研究进展

杨倩，于靖

高尔基体(golgi apparatus)亦称高尔基复合体、高尔基器，是真核细胞中内膜系统的组成之一。常分布于内质网与细胞膜之间，由于其功能的多样性和结构的独特性，以及在许多疾病中的作用，备受大家关注。近年来，高尔基体在眼科疾病中的作用也在逐渐被挖掘，可能成为研究眼部疾病的新方向。

1 高尔基体的结构与功能

哺乳动物细胞中的高尔基复合体由极化堆积的扁平池状膜组成，扁平池状膜通过小管连接，形成与微管组织中心紧密连接的膜网状网络[1]。该高度动态的膜网状网络结构可以在有丝分裂进程中可逆地解体。同时，关键的分泌通路蛋白也可以以细胞周期依赖的磷酸化方式分解高尔基体。高尔基复合体是真核细胞膜转运调控的核心，是蛋白质的分类和处理的主要场所[2]，是参与细胞代谢的关键细胞器，主要参与修饰、分类和包装大分子，并将内质网合成的蛋白质运送到细胞特定的部位或者分泌到细胞外。在正常情况下，哺乳动物高尔基体是微管组织中心附近的成堆池状的膜。蛋白质以分泌途径进入高尔基体的顺式面，当它们通过高尔基体膜时被处理，并在反式面被分类成囊泡，运输到它们的预定目的地。反式高尔基体在筛选内吞蛋白和在细胞膜和细胞内膜室之间循环方面同样也发挥着重要作用，这为高尔基体与细胞的其他部分及其周围环境的交流提供了良好前提基础，使其处于感知和整合细胞状态及环境信息的首要位置。

2 高尔基体参与眼科疾病的方式

高尔基体最主要的作用是对内质网合成的蛋白质进行加工、分拣与运输，再将其分别运送到细胞特定的部位或分泌到细胞外，其次是参与细胞分泌作用，进行膜的转化，将蛋白水解为活性物质，参与形成溶酶体，参与蛋白质糖基化等。然而高尔基体在不同眼部疾病中参与的方式不同，目前认为可能有如下几种方式：(1)眼部相关蛋白与高尔基体共定位，调控高尔基体的囊泡转运；(2)高尔基体为相关物质的合成和结合提供场所[3]；(3)高尔基体解体，促进细胞凋亡，加速疾病的发生发展。

3 高尔基体与眼科疾病

3.1 高尔基体和色素性视网膜炎 色素性视网膜炎(retinitis pigmentosa, RP)即视网膜色素变性，是一种慢性、进行性、遗传多样性的视网膜色素上皮营养不良性眼病，其特征是进行性光感受器细胞变性[4]。患者以夜盲症和周围视觉丧失为主要表现，目前RP的发病机制尚不明确，可能由于视杆细胞及视锥细胞的相继凋亡，视网膜退化进展至中央视网膜，导致特征性的视野狭窄，最终失明。

光感受器是复杂的纤毛感觉神经元。光感受器的基底体和胆周嵴与高尔基体复合体共同作用，调节内段蛋白向外段感觉轴索的输出。Arl3(ADP-ribosylation factor-like3)是一种广泛存在的微管相关蛋白(microtubule-associated protein，MAP)，定位于光受体连接纤毛[5-6]，参与纤毛功能且Arl3在高尔基体至纤毛的囊泡转运中起着重要作用[6]。视网膜色素变性蛋白(retinitis pigmentosa protein，RP2)为Arl3的负调控因子，定位于光感受器纤毛基部的基底体和相关的中心粒，光感受器的高尔基体和脊，这提示RP2可通过控制Arl3活性来调控高尔基体囊泡的转运和对接过程[7]。有研究[8-9]指出RP2对Arl3的调控对于维持高尔基体的内聚力，促进囊泡的转运和对接，将蛋白从光受体连接纤毛的底部，转运到外段非常重要。且此作用对纤毛光感受器的维持、稳定和代谢具有长期的影响。在色素性视网膜炎中RP2的缺失和Arl3的失调破坏了高尔基复合体的内聚力，导致高尔基体破碎，影响了纤毛蛋白(如IFT20)的位置和转运，而细胞纤毛转运蛋白20(intraflagellar transport 20，IFT20)同时也具有调节高尔基体的结构和转运的功能，二者相辅相成。高尔基网络(trans golgi network，TGN)的碎片化会导致分拣错误和货物装载到小泡上的受损，从而剥夺重要的细胞细胞器(如光感受器纤毛蛋白质)，导致光感受器纤毛的逐渐退化随后出现视网膜变性。所以，进一步研究应该关注RP中导致高尔基体破碎相关的信号通路的调控机制以及IFT20是如何影响高尔基体的结构与功能的，探究抑制高尔基体解体是否可以作为防控纤毛退化，视网膜变性的一个可行目标。

3.2 高尔基体和糖尿病病视网膜病变 糖尿病性视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)是目前成年人视力不可逆丧失的主要原因之一。糖尿病视网膜病变是一种影响视网膜血管系统、神经元和胶质细胞正常功能的复杂疾病。高血糖、晚期糖基化终产物(glycosylation end products，AGEs)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等多种因素参与了糖尿病视网膜病变的发病过程[10]。在糖尿病视网膜病变中，高血糖致使内皮细胞功能障碍、凋亡，最终导致视网膜微血管系统的丢失[11]。学者[12]认为VEGF是糖尿病视网膜病变晚期增强血管通透性和内皮细胞存活、增殖、迁移和新生血管形成的关键介质。

VEGF家族成员与细胞表面受体结合，调节生理和病理血管生成。众所周知，糖尿病视网膜病变中，内皮细胞中有大量的新生血管生成，这是由于高血糖诱导血管内皮生长因子受体2(vascular endothelial growth factor，VEGF2)在高尔基体的积累，并与高尔基体标记物共定，此外，新合成的VEGF2从高尔基体运输到质膜被激活[13]，它的质膜水平受高尔基体的内吞和分泌转运调节。因此新合成的VEGFR2向细胞膜的转运似乎是血管生成的重要限制因素。到目前为止，VEGF2转运通过高尔基体的机制仍未完全确定。最近的几项研究陆续揭示了VEGFR2从高尔基体到细胞膜转运的分子机制。其中一项，突触融合蛋白6 (Syntaxin-6)是一种高尔基定位的靶膜可溶性n -乙基马来酰亚胺附着蛋白受体(t-SNARE)蛋白。当Syntaxin-6受到抑制，会干扰VEGFR2转运至细胞膜，向溶酶体降解。在另一项研究中，已证明kinesin家族加端分子马达(kinesin-3 motor protein，KIF13B)可以将VEGFR2从高尔基体运送到细胞膜表面。具体来说，KIF13B是将VEGFR2从高尔基体转运到内皮细胞表面所必需的分子马达，在微管上直接与VEGFR2相互作用，在内皮细胞表面介导血管生成[14]，但是研究[15]证实，KIF13B介导的VEGFR2转运到质膜只在VEGF激活后才出现。KIF13B缺失对含VEGFR2囊泡的结构运输没有影响，这表明在没有VEGF刺激的情况下发生的VEGFR2基础运输与KIF13B无关。综上两种转运途径，目前并没有研究证明syntaxin-6和KIF13B将VEGFR2从高尔基体运送到细胞膜表面之间的关系，但在将VEGFR2转运到质膜的运输周期的不同时期，SNARE机制和KIF13B可能以一种相互排斥的方式发挥作用。

3.3 高尔基体与老年黄斑变性 老年黄斑变性(age-related macular degeneration，AMD)是导致50岁以上老年人中心视力下降，不可逆失明的最主要原因之一[16]。其中干性AMD发展到晚期会出现地图样萎缩，盘状变性等，导致视力严重下降。而慢性炎症是导致干性AMD进展的主要病因[17]。最新研究[18]表明，在神经退行性疾病中，随着Aβ的沉积，Aβ诱发Ca2+涌入,激活钙蛋白酶使得CDK5磷酸化，从高尔基体结构蛋白GRASP65失活，进而促进高尔基体解体，这一过程损害了许多基本蛋白的分类、运输、修饰和分泌通路的完整性，从而激活炎症反应。

炎性小体是控制炎症反应和天然免疫防御的多蛋白信号平台，是一种存在于受刺激的免疫细胞胞浆中的高分子量复合物[19]。这种复合物是由模式识别受体组装而成，在检测到宿主细胞胞浆中的致病微生物和危险信号后，它们激活炎性效应凋亡蛋白酶(caspases)产生细胞因子，启动下游反应，诱发细胞凋亡[20]。NOD样受体3(NOD like receptor pyrin domain-3 ，NLRP3)炎症小体的不同之处在于它可以由多种不同的刺激触发[21]，但考虑到这些刺激因素的化学和结构多样性，以及缺乏NLRP3直接与任何这些分子相互作用的证据，NLRP3被激活的机制仍然未知。而在最近发表在《自然》杂志上的一项研究[22]表明，跨高尔基体网络(trans-golgi network， TGN)的分散是不同激动剂作用下激活NLRP3早期所需要的常见应激事件。NLRP3刺激下游的新的共同细胞信号:TGN解体成各种分散的结构，形成dTGN，NLRP3通过其保守的多碱性区域与dTGN上带负电荷的磷脂酰肌醇-4-磷酸(PtdIns4P)之间的离子键作用被募集到分散的TGN (dTGN)中。然后dTGN作为NLRP3聚合成多个小点的支架，诱导适配器蛋白ASC聚合，从而激活下游信号级联。dTGN上的NLRP3和PtdIns4P相互作用的中断阻断了NLRP3的聚集和下游信号。这些结果[23]表明，NLRP3向dTGN的募集是一种早期的、常见的细胞事件，致使NLRP3在不同刺激下聚集和激活。文献证明，在干性AMD的患者视网膜中存在Aβ淀粉样变性，以此笔者猜想，在干性AMD中，Aβ诱发炎症导致高尔基体解体，解体的高尔基体进一步募集炎症小体，促发炎症级联反应，加重AMD。因此，挽救有缺陷的高尔基体可能会延迟干性AMD的发展，此想法有待本课题组进一步验证。

3.4 高尔基体与视紫红质转运 视紫红质是一种在内质网(endoplasmic reticulum，ER)上合成和折叠的七次跨膜蛋白，是光感受器细胞的重要分子组成部分，在内质网折叠的视紫红质被动转运至高尔基体，而从内质网中转出的视紫红质可能是通过COPII被膜介导[24]。在高尔基体内视紫红质与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，FIP3)、腺苷二磷酸核糖基化因子鸟苷酸激酶1(adenosine diphosphate ribosylation factor guanylate kinase 1，ASAP1)、Rab家族蛋白8(rab-family proteins 8，Rab8)和鸟嘌呤核苷酸交换因子(guanine nucleotide exchange factor，Rabin8)相互作用[3]，在高尔基体网络中形成视紫红质转运载体。其中Arf4的结合是转运视紫红质的关键步骤，它促进了ASAP1、Rab11、Rabin8、Rab8等聚集到视紫红质转运载体上，并且在ASAP1的作用下，形成Rab11-Rabin8-Rab8复合物，该复合物将视紫红质靶向运输至纤毛[25]，其中IFT20对于视紫红质靶向运输至纤毛至关重要。IFT20通过一种卷曲的蛋白Elipsa间接与Rab8结合。Elipsa位于纤毛，与IFT20和Rabaptin5结合，其中Rabaptin5可以与Rab8相互作用。因此，IFT20可能将高尔基体中的视紫红质转出高尔基体，并将视紫红质转运载体传递到纤毛基部并在此过程中发挥重要作用[26]。视紫红质在高尔基体内的这种精细转运，对于维持眼部正常的视物能力至关重要。

3.5 高尔基体与干眼症 干眼症是由于泪液分泌不足或质量下降导致的角膜干燥或结膜受损。其发病机制包括泪膜的高渗透性和眼表及泪腺的炎症[27]。干眼症在临床上分为两种亚型:一种是泪液分泌减少(水缺乏)，另一种是泪液蒸发增加(过度蒸发)[28]。

DNA损伤诱导蛋白(DNA damage-inducible protein,GADD34)是一种应激诱导的磷酸酶PP1的调节亚基，在高渗透应激中发挥作用，促进应激适应[29]。对于细胞外渗透压变化极为敏感的角膜上皮细胞来说，适应高渗透压对维持其正常功能和形态至关重要，而细胞外渗透压的变化会导致干眼症[30]。GADD34在高渗透应激期间促进内质网上合成的蛋白质加工。GADD34/PP1磷酸酶活性可逆转高渗透压诱导的高尔基体碎裂，并对钠偶联中性氨基酸转运体2(sodium-coupled neutral amino acid transporter 2 ，SNAT2)的顺式高尔基体到反式高尔基体运输起到重要作用，从而促进SNAT2质膜定位和功能[31-32]。未来的研究将确定GADD34/PP1如何在高渗透环境中调控细胞骨架动力学，从而促进高尔基体完整性，确保渗透适应的成功启动。除了在眼病方面的研究成果外，笔者发现GADD34/PP1在高尔基体中的作用揭示了一种未被认识的分子机制，该机制可以控制细胞对应激诱导的高尔基体断裂的敏感性，从而以细胞类型特异性的方式影响疾病的发展。

4 结语与展望

在这篇综述中，多种研究表明，不应该把高尔基体简单的看作处理蛋白质和脂质的细胞器。相反的是完整的高尔基体参与了许多眼部疾病发病的关键步骤，如信号转导，影响神经因子分泌，质膜转运等。从这些方面说明高尔基体为研究眼部疾病开辟了新的路径。然而，高尔基体的完整性遭到破坏，将会导致蛋白质的加工转运出现障碍，细胞器膜的结构等出现改变，使细胞的功能下降，细胞坏死。因此，从高尔基体的结构完整性上来防控这些损伤，可从病因上更好的获取治疗方法。但目前对于高尔基体的研究尚不成熟，还需大量的实验性研究来验证。