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姚志荣/李明/张思团队发现一种新的疾病-CAOP综合征的致病基因MBTPS1及其致病机制

白内障-秃发-口腔黏膜病-银屑病样综合征(CAOP综合征)是一种极其罕见的疾病,其特征为早发性双侧白内障、全身性非瘢痕性秃发、口腔黏膜疾病以及严重的银屑病样皮肤损伤。目前,CAOP综合征的发病机制仍不清楚。

 

上海交通大学医学院附属新华医院姚志荣/李明/张思团队历经十余年研究,首次报告膜结合转录因子肽酶/位点1蛋白酶(MBTPS1/S1P)是CAOP综合征的致病基因,并阐明了MBTPS1突变的致病机理。他们还发现补充核黄素可改善CAOP综合征患者的炎性病变,为这种罕见皮肤病的治疗指明了方向。

 

这项研究成果于近日发表在《EMBO Molecular Medicine》杂志上。新华医院的陈付英、倪成、王晓晓、程茹虹、潘超兰为本文共同第一作者,新华医院皮肤科姚志荣教授和李明教授、复旦大学基础医学院张思教授为该论文的共同通讯作者。

 

CAOP综合征的致病基因MBTPS1及其致病机制

研究材料

在这项研究中,研究人员构建了皮肤特异性Mbtps1条件性敲除小鼠模型以及Mbtps1敲低的mbtps1-MO斑马鱼模型(其中Mptps1条件性敲除小鼠模型由赛业生物提供)。体外研究则采用了MBTPS1-KO HaCaT细胞。

 

技术方法

他们在研究中采用了多项技术,包括全外显子组测序分析、Western blotting、蛋白质稳定性分析。在分析S1P的结合伴侣时,他们使用了免疫荧光、LC-MS/MS分析和GST pull-down分析等。他们还通过多种分析测定了线粒体的代谢水平。

 

技术路线

01全外显子组测序发现CAOP患者的S1P变异

02S1P能与ETFA和ETFB相互作用并维持ETF稳定性

03S1P变异使ETFA/ETFB不稳定并损害线粒体呼吸

04核黄素治疗可改善CAOP患者的线粒体功能障碍

 

研究结果

1.测序发现CAOP综合征的致病变异

 

研究人员发现了两例CAOP综合征的散发病例,一例是14岁的中国男孩(患者1),另一例是5岁的西班牙女孩(患者2)。两名患者均表现出轻度的毛囊角化症、双侧白内障、全身性秃发、银屑病样病变和甲沟炎等。他们的临床症状与所有已知皮肤病不同,且患者1对常规疗法无应答。全外显子组测序和Sanger测序在患者的MBTPS1/S1P基因中鉴定出杂合变异。

 

考虑到患者1的线粒体数量显著增加和线粒体形态异常的症状,研究人员想了解这是否由S1P缺乏引起。他们构建了Mbtps1-cKO小鼠模型,并发现这些小鼠也表现出银屑病样病变、脂质积累和线粒体异常的表型。同样,mbtps1-MO斑马鱼模型也观察到线粒体自噬和线粒体异常的表型。

 

2.S1P与ETFA和ETFB相互作用

 

研究人员通过一系列分析表明,S1P是一种新型线粒体蛋白,存在于线粒体基质空间内。MBTPS1的突变影响了其与线粒体表面受体分子(TOM20、TOM70和TIM23)的结合,破坏了它们的线粒体转运。

 

在筛选了S1P的互作蛋白后,研究人员对潜在的结合蛋白开展了生物信息学分析。蛋白质互作网络表明,电子转移黄素蛋白(ETF)可能在S1P相关的线粒体信号传导中发挥核心作用。缺乏核黄素(维生素B2)会导致白内障、畏光、口腔炎、角化过度和发育迟缓等症状,这些症状与CAOP综合征的症状有一定的相似性。共聚焦免疫荧光分析进一步证实,S1P能与ETFA和ETFB形成三聚体复合物(图1)。

 

CAOP综合征的致病基因MBTPS1及其致病机制

图1 S1P与ETFA和ETFB蛋白形成三聚体复合物

 

3.S1P异常损害线粒体呼吸

 

研究人员发现,患者1的皮肤活检中的ETFA和ETFB蛋白水平下降,但mRNA表达没有出现显著变化。同样,MBTPS1-KO HaCaT细胞和Mbtps1-cKO小鼠中也观察到ETFA和ETFB的蛋白水平下降,除此之外,MBTPS1敲除不影响ETF的mRNA表达水平,但诱导ETF快速降解,这表明S1P可能维持了ETF的蛋白质稳定性。

 

与野生型S1P相比,突变型S1P与ETFA和ETFB的结合减少,这表明MBTPS1变异失去了与ETF形成三聚体复合物的能力。后续的分析表明,野生型S1P可以通过与ETFA/ETFB结合及随后的ETF黄素化(flavination),增强ETF的稳定性,而突变型S1P却失去了这种能力(图2)。

 

耗氧率(OCR)的测定结果表明,与对照细胞相比,MBTPS1-KO HaCaT细胞的线粒体呼吸减少。为此,研究人员采用靶向代谢组学分析来研究S1P如何影响能量代谢。结果表明,S1P的缺失会损害线粒体呼吸和三羧酸循环(TCA),并导致线粒体代谢从氧化磷酸化转变为糖酵解。

 

CAOP综合征的致病基因MBTPS1及其致病机制

图2 S1P功能障碍破坏了ETF黄素化和稳定性

 

4.核黄素疗法可减轻患者的炎性病变

 

考虑到MBTPS1变异破坏了ETF的稳定性,研究人员提出用核黄素来逆转线粒体异常并治疗CAOP综合征。正如预期的那样,核黄素以浓度依赖性的方式逆转了S1P缺乏导致的ETFA和ETFB减少,并恢复了线粒体呼吸和细胞ATP产生。

 

患者1在口服核黄素之前对各种治疗方案均无应答。从14岁开始,他每天口服核黄素,并对这种疗法表现出良好的应答。在3年的随访过程中,研究人员发现患者1的严重炎性病变显著减轻,畏光和舌裂略有改善。这些数据表明,MBTPS1变异导致的ETF降解和线粒体异常引起了CAOP综合征以及严重炎性病变。

 

研究结论

总的来说,这项研究表明MBTPS1变异引起了CAOP综合征。S1P可作为一种新型的线粒体蛋白结合伴侣,与ETFA和ETFB形成三聚体复合物,增强ETF的黄素化,从而维持其稳定性(图3)。这项研究也首次证实,CAOP综合征患者对核黄素疗法有应答。

 

CAOP综合征的致病基因MBTPS1及其致病机制

图3 S1P调控细胞呼吸的推测机制

 

原文检索:

Chen F, Ni C, Wang X, et al. S1P defects cause a new entity of cataract, alopecia, oral mucosal disorder, and psoriasis-like syndrome. EMBO Mol Med. 2022 May 9;14(5):e14904. doi: 10.15252/emmm.202114904. Epub 2022 Apr 1. PMID: 35362222; PMCID: PMC9081911.

 

CAOP综合征的致病基因MBTPS1及其致病机制

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