【佳學(xué)基因檢測】纖毛病的病理生理學(xué)：研究生入學(xué)考試知識點

原發(fā)性纖毛運動障礙 (PCD)

根據(jù)蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組數(shù)據(jù)，假設(shè)活動纖毛的組裝和正常運作需要多達(dá)數(shù)百種蛋白質(zhì)。 編碼纖毛蛋白的基因發(fā)生突變會導(dǎo)致纖毛缺失、纖毛變短或變少，或者纖毛功能發(fā)生改變。 到目前為止，已證明 40 多個基因的突變會導(dǎo)致 PCD。 然而，據(jù)估計，迄今為止發(fā)現(xiàn)的基因僅占所有 PCD 病例的 60-70%。

原發(fā)性纖毛運動障礙大約影響 15,000-30,000 人中的一人，但這種情況可能未得到充分診斷。 主要表現(xiàn)為咳嗽、咳痰、鼻炎、鼻竇炎、中耳炎、聽力障礙，以及粘液纖毛清除障礙引起的上下呼吸道反復(fù)感染。 隨著疾病的進展，患者可能會遭受不可逆轉(zhuǎn)的肺部損傷，在極端情況下甚至需要進行肺移植。 相當(dāng)多的男性患者由于精子細(xì)胞運動能力降低或不能運動而無法生育。 在患有 PCD 的女性中，輸卵管中卵子的運輸會減慢，這可能導(dǎo)致異位妊娠和不孕。 一些 PCD 患者還患有先天性心臟病，并且很少有脊柱側(cè)彎、色素性視網(wǎng)膜炎和腦積水。 在大約一半的 PCD 患者中，由于淋巴結(jié)纖毛的功能障礙，胸部和腹部主要內(nèi)臟器官的排列被顛倒（位置倒置），或者在極少數(shù)情況下出現(xiàn)異常（位置模糊）。 然而，在編碼放射狀輻條或中央裝置亞基的基因發(fā)生突變的患者中從未觀察到這些異常（因為人類結(jié)節(jié)纖毛缺乏這些結(jié)構(gòu)）。

PCD 癥狀的嚴(yán)重程度取決于纖毛結(jié)構(gòu)和功能改變的程度，而這些改變又取決于突變基因。 例如，由 CCDC39 或 CCDC40 突變（導(dǎo)致各種纖毛缺陷）或 DNAH5（編碼 ODA γ 動力蛋白重鏈）引起的 PCD 個體的纖毛是不動的，而編碼 ODA 的 β 動力蛋白重鏈的 DNAH9 突變存在 在纖毛的遠(yuǎn)端部分僅導(dǎo)致纖毛遠(yuǎn)端部分的彎曲略有減少。 此外，新生兒窘迫、中耳炎或支氣管擴張在 DNAH9 突變患者中沒有報告（盡管本研究中的 PCD 患者組很?。?，而這些癥狀在 CCDC39、CCDC40 或 DNAH5 突變的個體中非常常見。

從理論上講，編碼構(gòu)建大型復(fù)合體核心區(qū)域的蛋白質(zhì)（例如 DRC1 或 DRC2）或?qū)⒄麄€復(fù)合體?？康捷S絲上的基因突變（病理變異）應(yīng)該比位于復(fù)合體中的蛋白質(zhì)突變對纖毛運動造成更嚴(yán)重的損害 外周（除非復(fù)合體的這種外周蛋白/區(qū)域參與對生物過程至關(guān)重要的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用）。 事實上，編碼 ODA 對接復(fù)合體的基因突變對纖毛的影響比 DNAH9 突變更強。

正如使用模型生物的研究所示，一些突變會導(dǎo)致纖毛跳動發(fā)生微小變化。 因此，攜帶相似突變的個體可能沒有任何癥狀或僅表現(xiàn)出輕微癥狀，并且從未被診斷出患有 PCD。

由于 PCD 是一種由許多不同基因突變引起的遺傳性疾病，并且癥狀的嚴(yán)重程度因受影響的個體而異，因此這種纖毛病的診斷可能是一個挑戰(zhàn)。 測量鼻腔一氧化氮的產(chǎn)生水平（在受 PCD 影響的個體中通常會減少）是一項基本的篩查測試。 使用高速視頻顯微鏡 (HSVM) 測量纖毛跳動（頻率、振幅和纖毛同步），使用免疫熒光顯微鏡和特異性抗體檢測標(biāo)記蛋白（例如 DNAH5），以及使用傳輸識別超微結(jié)構(gòu)缺陷 對通過鼻刷活組織檢查從患者身上獲得的呼吸道上皮細(xì)胞進行電子顯微鏡檢查 (TEM) 是對具有臨床癥狀的個體進行的其他診斷測試，以確認(rèn)纖毛功能障礙。 基因檢測可以給出明確的結(jié)果，同時指出致病基因。

基因測試中的目標(biāo)數(shù)量受已知 PCD 相關(guān)基因數(shù)量的限制。 新的 PCD 致病基因的鑒定，以及隨后應(yīng)該在具有 PCD 癥狀的個體中進行測試的基因庫的豐富，可以通過從受影響個體獲得的 DNA 樣本的下一代測序直接實現(xiàn)，或通過破譯間接實現(xiàn) 新型纖毛蛋白在使用模式生物產(chǎn)生和/或調(diào)節(jié)纖毛跳動中的作用。

由原發(fā)性纖毛運動障礙 (PCD) 致病基因突變引起的超微結(jié)構(gòu)缺陷。 這些圖顯示了在 PCD 中觀察到的具有主要大復(fù)合體和具有特定超微結(jié)構(gòu)缺陷的軸絲碎片的正常運動纖毛的橫截面（如圖和正文中所述）。 大型復(fù)合體：ODA（外動力蛋白臂，紫色），IDA（內(nèi)動力蛋白臂，深藍(lán)色），RS（徑向輻條，橙色），N-DRC（連接蛋白-動力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合體，紅色），CA（中央裝置，綠色； 圖中 CA 的陰影表示纖毛的結(jié)構(gòu)變化和徑向輻條蛋白的突變說明 CA 可能缺失）。 致病基因的名稱為紅色。 * 超微結(jié)構(gòu)變化的差異：DNAH11：使用 cryo-ET 檢測到的微小結(jié)構(gòu)缺陷； MNS1：減少組裝的ODA數(shù)量； STK36：CA 異常罕見 (~5%)； DNAJB13：使用 cryo-ET 檢測到徑向輻條頸部的輕微結(jié)構(gòu)缺陷。

PCD 是一種常染色體（很少 X 連鎖，例如 PIH1D3 基因，見下文）、隱性遺傳異質(zhì)性疾病，由編碼蛋白質(zhì)的基因突變引起，這些蛋白質(zhì)對于運動纖毛的組裝和有效運作是必不可少的。 迄今為止，已在 40 多個基因中鑒定出 PCD 致病突變。

由纖毛數(shù)量減少引起的 PCD

MULTICILIN/MCIDAS（多纖毛分化和 DNA 合成相關(guān)細(xì)胞周期蛋白）[MIM：614086] 和 CCNO（細(xì)胞周期蛋白 O）[MIM：607752] 的突變顯著減少了組裝纖毛的數(shù)量（擬定名稱：減少多發(fā)運動纖毛疾病的產(chǎn)生 , 國資委）。 具有這些基因突變的個體具有粘膜纖毛清除障礙，類似于受 PCD 影響的個體。 對活檢期間獲得的呼吸道上皮細(xì)胞的詳細(xì)分析表明，在 MCIDAS 突變的個體中，基體的數(shù)量顯著減少，并且在細(xì)胞中存在的基體中，一些基體沒有與頂端細(xì)胞對接 表面。 因此，呼吸道上皮細(xì)胞沒有纖毛或很少只聚集一到兩條纖毛。 此外，組裝的纖毛是不動的，并且缺乏關(guān)鍵的纖毛蛋白，如 CCDC39 和 DNAH5。 對 Mcidas 突變小鼠氣管上皮細(xì)胞的分析表明，存在與單個纖毛相關(guān)的單個基底體，但含有 RSPH1、RSPH9 和 CCDC40，這些蛋白質(zhì)對活動纖毛具有特異性。

在 CCNO 突變個體的活檢過程中獲得的呼吸道上皮細(xì)胞中觀察到類似的、移位的和數(shù)量較少的基體，但在這種情況下，組裝的稀疏纖毛具有正常的超微結(jié)構(gòu)和跳動模式。 非洲爪蟾中基于嗎啉代的 CCNO 耗竭導(dǎo)致活動纖毛數(shù)量減少。

在模型生物體中進行的實驗表明，這兩種蛋白質(zhì)都在多纖毛細(xì)胞分化過程中調(diào)節(jié)中心粒擴增中發(fā)揮作用。 在氣道分化過程中，NOTCH 的水平?jīng)Q定了有絲分裂后祖細(xì)胞的命運。 NOTCH 的抑制啟動了多纖毛細(xì)胞特異的轉(zhuǎn)錄程序，導(dǎo)致中心粒大量擴增，它們遷移到頂端細(xì)胞表面，均勻定向?？康郊?xì)胞表面和纖毛。 MCIDAS 是被 NOTCH 抑制的基因之一。 MCIDAS 與轉(zhuǎn)錄因子 E2F4/5 和 DP1 一起形成一個復(fù)合物，可激活非典型細(xì)胞周期蛋白 CCNO（細(xì)胞周期蛋白 O），這是中心粒擴增過程中所必需的。

CCDC39 和 CCDC40

CCDC39 [MIM: 613798] 和 CCDC40 [MIM: 613799] 是包含螺旋結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，是蛋白質(zhì)中賊有趣的纖毛蛋白，其突變會導(dǎo)致具有嚴(yán)重纖毛缺陷的 PCD。 由任一基因中的功能喪失突變引起的表型和超微結(jié)構(gòu)改變基本上無法區(qū)分。 通過對受影響個體的鼻刷活檢獲得的纖毛細(xì)胞進行高速視頻顯微鏡分析，結(jié)果表明纖毛要么不動，要么表現(xiàn)出一些殘余運動，伴有僵硬的跳動和減小的跳動幅度。 TEM 超微結(jié)構(gòu)觀察檢測到各種纖毛缺陷，包括錯位的外圍雙峰，在纖毛外圍只有八個雙峰，一個轉(zhuǎn)移到纖毛中心，移位的中央微管，缺失 IDA，有缺陷的 RS 和 N-DRC。 有趣的是，ODA 的本地化是正常的。 在 CCDC39 或 CCDC40 突變的斑馬魚胚胎和小鼠胚胎中也觀察到與運動纖毛缺陷一致的表型改變。

纖毛微管的移位可能是次要效應(yīng)——跨越相鄰?fù)庵茈p峰和徑向輻條缺陷的連接蛋白-動力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合物數(shù)量減少或缺乏的結(jié)果。 然而，令人費解的問題是 CCDC39 或 CCDC40 中的功能喪失突變?nèi)绾螌?dǎo)致三種不同的睫狀大復(fù)合體（IDA、RS 和 N-DRC）缺失或缺陷。

CCDC39 和 CCDC40 直系同源物 FAP59 和 FAP172 在萊茵衣藻中的定位和功能研究揭示了由 CCDC39 和 CCDC40 功能喪失突變引起的這種多結(jié)構(gòu)纖毛缺陷背后的分子基礎(chǔ)。 由 fap59 和 fap172 衣藻突變體組裝的鞭毛是不動的，缺乏內(nèi)動力蛋白臂和一些連接蛋白-動力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合物，雖然存在徑向輻條，但沿外周雙峰呈不規(guī)則排列。 此外，正如之前在 CCDC39 或 CCDC40 突變的 PCD 患者中觀察到的那樣，ODA 存在于 fap59 和 fap172 衣藻突變體中。 使用 cryo-ET 的組合遺傳和定位研究表明，在衣藻中，F(xiàn)AP59 和 FAP172 形成一個薄的、大約 96 nm 長的復(fù)合體，沿著外周微管雙峰重復(fù)，并且可能作為 (1) 定義微管的“分子尺” 軸絲單位的長度，以及作為 (2) 某些纖毛復(fù)合體對接位點的決定因素。 FAP59 和 FAP172 蛋白的表達(dá)，在 fap59fap172 雙敲除突變體中，每個蛋白都有重復(fù)的相應(yīng)片段（N 端、中間或 C 端片段在兩種蛋白中重復(fù)），導(dǎo)致鞭毛組裝成具有更長的軸絲單位和額外的大 配合物。 形成的超大單元的長度與重復(fù)氨基酸的數(shù)量成正比，而重復(fù)復(fù)合物的類型取決于 FAP59 和 FAP172 的重復(fù)片段（N 端、中間或 C 端）的位置。 基于上述觀察，作者假設(shè) RS 的位置以及 N-DRC 和 IDA（而非 ODA）的對接由 FAP59/FAP172 復(fù)合體決定。

根據(jù)在綠藻中獲得的數(shù)據(jù)，似乎 CCDC39 或 CCDC40 基因突變的患者纖毛超微結(jié)構(gòu)缺陷的程度轉(zhuǎn)化為纖毛不動和 PCD 癥狀的嚴(yán)重程度是突變的功能障礙的結(jié)果 蛋白質(zhì)作為三個重要纖毛復(fù)合體對接/定位的決定因素。

動力臂

大量 PCD 病例是由編碼基因突變引起的 (1) 外動力蛋白臂的亞基，(2) 形成 ODA 對接復(fù)合物的蛋白質(zhì)，或 (3) 動力蛋白臂預(yù)組裝和運輸所需的細(xì)胞質(zhì)蛋白 從細(xì)胞體到纖毛的預(yù)組裝動力蛋白臂。

動力蛋白臂亞基

在人類運動纖毛中，外動力蛋白臂是雙頭結(jié)構(gòu)，包含兩條動力蛋白重鏈 (DHC)、γ 和 β、兩條中間鏈和幾條輕鏈。 在呼吸道內(nèi)壁的上皮細(xì)胞中，γ DHC 僅由 DNAH5 [MIM: 603335] 編碼，而 β DHC 由兩個基因之一編碼：DNAH11 [MIM: 603339] 或 DNAH9 [MIM: 603330]。 含有 DNAH11 β DHC 的 ODA 存在于纖毛的更近端部分（ODA 類型 1），而含有 DNAH9 的 ODA ?？吭诶w毛的遠(yuǎn)端部分（ODA 類型 2）。 在這三個 DHC 中，DNAH5 中的突變導(dǎo)致纖毛跳動模式的賊嚴(yán)重改變，而 DNAH9 中的突變導(dǎo)致賊輕微的改變。 來自具有 DNAH5 突變的患者的呼吸道上皮細(xì)胞的纖毛不動或表現(xiàn)出殘留的抽搐運動。 相比之下，DNAH11 中的突變只會降低纖毛跳動幅度并增加跳動頻率，而 DNAH9 中的突變不會改變跳動頻率，只會輕微減少纖毛遠(yuǎn)端部分的彎曲。 呼吸道上皮細(xì)胞的 TEM 檢查顯示，在 DNAH5 突變的患者中，ODA 沿著整個纖毛長度缺失，但如果 DNAH9 發(fā)生突變，則僅在纖毛的遠(yuǎn)端部分缺失（纖毛的遠(yuǎn)端和近端部分是根據(jù) 微絨毛橫截面的缺失或存在）。 在 DNAH11 突變的情況下，ODA 中的超微結(jié)構(gòu)缺陷無法使用經(jīng)典 TEM 檢測到。 然而，使用 TEM 斷層掃描進行的重新檢查顯示纖毛近端有小的 ODA 缺陷。

ODA 缺失或截短的纖毛也是 PCD 的一個特征，由編碼動力蛋白中間鏈 DNAI1 [MIM: 604366] 和 DNAI2 [MIM: 605483] 的基因突變以及動力蛋白輕鏈基因 DNAL1/ LC1 [MIM: 610062] 和 NME8/TXNDC3 [MIM: 607421]——一種與衣藻 LC3 和 LC5 相似的硫氧還蛋白樣蛋白。

在不同的模型生物中廣泛研究了動力蛋白臂的蛋白質(zhì)組成和作用。 在一個軸絲單位內(nèi)，有四個相同的 ODA 和七個 IDA（一個雙頭 IDAf/I1 和六個單頭 IDA a 到 e 和 g），它們的蛋白質(zhì)組成和可能的功能不同。 衣藻動力蛋白臂突變體的表型分析表明 IDA 和 ODA 執(zhí)行不同的功能。 建議 IDAs 控制纖毛彎曲的大小和波形，而 ODAs 控制纖毛拍頻。 與具有雙頭 ODA 的脊椎動物相反，在衣藻和四膜蟲等模式生物中，ODA 是三頭的。 對編碼 ODAs 亞基的基因突變的衣藻細(xì)胞的分析表明，在絕大多數(shù)研究的突變體中，ODAs 有效丟失。 因此，所有研究的亞基很可能是纖毛中 ODA 存在所必需的。 一些編碼 ODA 亞基的基因的突變顯示也會在小鼠中引起 PCD 樣癥狀。

動力蛋白對接蛋白

除纖毛遠(yuǎn)端外，ODA 沿著外部雙微管每隔 24 nm 有規(guī)律地分布。 ODA 與微管的連接涉及一組形成對接復(fù)合體的蛋白質(zhì)。 編碼 ODA 對接復(fù)合體亞基的基因突變導(dǎo)致沒有 ODA 的纖毛組裝。 從有效缺乏 ODA 的 PCD 患者獲得的 DNA 樣本的全外顯子組或全基因組測序（通過 TEM 確定）顯示，除其他外，以下基因座中的功能喪失突變：CCDC114 [MIM：615038]，CCDC151 [MIM: 615956]、ARMC4 [MIM: 615408] 和 TTC25 [MIM: 617095]。

免疫熒光研究表明，在人類呼吸道上皮細(xì)胞中，由這些基因編碼的蛋白質(zhì)定位于整個睫狀軸絲。 上述所有基因座中的功能喪失突變具有相似的表型結(jié)果。 HSVM 分析表明，纖毛通常不動或很少顯示殘余抽搐或閃爍運動。 使用抗 DNAH5 和抗 DNAH9 抗體的免疫熒光分析證實不存在官方發(fā)展援助。 少有的例外是具有突變 ARMC4 的細(xì)胞中的纖毛，其中 ODA 減少但并非有效不存在（DNAH5 和 DNAI2 存在于纖毛的近端部分）。 因此，一些纖毛表現(xiàn)出運動性降低，但頻率和振幅顯著降低。

TTC25 似乎是 ODA 對接級聯(lián)中賊上游的玩家，而 ARMC4 似乎是賊下游的玩家。 雖然 TTC25 存在于缺乏 DNAH5、CCDC114、CCDC151 或 ARMC4 的纖毛中，但在從具有 TTC25 功能喪失突變的個體獲得的呼吸道上皮細(xì)胞纖毛中檢測不到 CCDC114、CCDC151 和 ARMC4。 反過來，CCDC114 和 ARMC4 在攜帶 CCDC151 突變的個體的上皮細(xì)胞的呼吸纖毛中檢測不到，ARMC4 不存在于 CCDC114 突變體中，而 CCDC114 在 ARMC4 突變體的纖毛中檢測到。 HEK293 細(xì)胞中表達(dá)的標(biāo)記蛋白的免疫沉淀分析表明，CCDC114 與 TTC25 和 CCDC151 共免疫沉淀。 此外，TTC25 和 CCDC151 可以與 IFT 亞基相互作用。 基于這些數(shù)據(jù)，有人提出 TTC25 對于將 ODA 對接復(fù)合物轉(zhuǎn)運到纖毛或?qū)⑵渌?ODA 對接蛋白附著到由人類呼吸細(xì)胞組裝的纖毛中的軸絲是必不可少的。

衣藻和四膜蟲等單細(xì)胞模型的基因組編碼的蛋白質(zhì)與 CCDC114 和 CCDC151（衣藻中的 ODA10）相似，但它們?nèi)狈?TTC25 和 ARMC4 的同源物。 在四膜蟲中，尚未分析 CCDC114 和 CCDC151 蛋白。 在衣藻中，ODA 對接復(fù)合物由三種蛋白質(zhì)組成：ODA1（CCDC114 的直系同源物）和衣藻特異性 ODA3 和 ODA14。 衣藻 ODA10 和另一種蛋白質(zhì) ODA5 是細(xì)胞質(zhì)蛋白，在它們被運送到鞭毛之前與預(yù)組裝的動力蛋白臂相互作用，而衣藻突變體 oda10 缺乏 ODA。 因此，在 ODA 對接蛋白的情況下，使用小鼠和斑馬魚胚胎進行遺傳和顯微分析對于更好地了解這些蛋白在纖毛細(xì)胞中的分布和作用，從而揭示纖毛不動和 PCD 的原因具有無可估量的價值。 對編碼 ARMC4、CCDC115 或 TTC25 的基因被敲低或突變的斑馬魚胚胎和小鼠突變體的分析證實，這些蛋白質(zhì)是纖毛中 ODA 存在所必需的。 此外，在斑馬魚胚胎的前腎纖毛中，Ccdc114 在纖毛中的存在取決于 Ccdc151 的存在，類似于 CCDC151 突變的 PCD 患者的情況。 一些作者還報道了 ttc25 斑馬魚和非洲爪蟾突變體中纖毛的組裝更少和更短，盡管這些數(shù)據(jù)與其他組相矛盾。

僅由 ODAs 缺陷表現(xiàn)的 PCD 也可能由其他兩個基因的突變引起：MNS1（減數(shù)分裂特異性核結(jié)構(gòu) 1）[MIM：610766] 和 CCDC103 [MIM：614677]。 MNS1 中的功能喪失突變減少了組裝的 ODA 的數(shù)量（通常在纖毛橫截面中只能看到 5-7 個 ODA）并導(dǎo)致偏側(cè)缺陷（內(nèi)臟倒位）和男性不育。 MNS1 與 CCDC114 共免疫沉淀，表明它在 ODA 對接復(fù)合物組裝或穩(wěn)定性或 ODA 與對接復(fù)合物的穩(wěn)定結(jié)合中發(fā)揮作用。

CCDC103 是一種含有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，已在衣藻中顯示其在整個長度上以 12 nm 的周期緊密結(jié)合外周微管雙聯(lián)體的微管。 有趣的是，對從攜帶 CCDC103 突變的患者獲得的呼吸道上皮細(xì)胞進行的免疫熒光分析顯示，DNAH5 和 DNAI2 從纖毛的遠(yuǎn)端部分丟失（表明 ODAs 缺陷），但在近端部分仍可檢測到。 一致認(rèn)為，僅在纖毛遠(yuǎn)端部分特異性存在的 DNAH9 在由攜帶 CCDC103 突變的呼吸細(xì)胞組裝的纖毛中檢測不到。 免疫熒光定位數(shù)據(jù)與 TEM 觀察結(jié)果一致，顯示纖毛橫截面中 ODA 缺失或減少。 與影響 ODA 組裝的其他基因突變一樣，在 CCDC103 中具有功能喪失突變的個體的纖毛是不動的。 衣藻和斑馬魚胚胎的生化研究表明，CCDC103 可以形成穩(wěn)定的二聚體，并且即使在 ODA 缺失時也與軸絲相關(guān)。

動力蛋白臂預(yù)組裝中涉及的因素

引人注目的是，在大量 PCD 病例中，表現(xiàn)為缺乏外部和內(nèi)部動力蛋白臂（由 TEM 分析確定），進行的基因測試未能揭示編碼這些結(jié)構(gòu)亞基的基因突變 . 闡明這個謎題導(dǎo)致發(fā)現(xiàn) (1) 細(xì)胞質(zhì)蛋白（稱為動力蛋白軸絲組裝因子，DNAAF）在動力蛋白臂的預(yù)組裝過程中充當(dāng)共同伴侶，以及 (2) 在其中發(fā)揮作用的蛋白質(zhì) ODA 和 IDA 到纖毛的預(yù)組裝和/或運輸。 迄今為止，以下基因的突變顯示會導(dǎo)致具有上述超微結(jié)構(gòu)變化的 PCD：DNAAF1/LRRC50（含有富含亮氨酸的重復(fù)序列）[MIM: 613190]、DNAAF2/KINTOUN (KTU) [MIM: 612517]、DNAAF3/C19orf51 [MIM：614566]，DNAAF4/DYX1C1（閱讀障礙易感性 1 候選 1）[MIM：608706]，DNAAF5/HEATR2（含有 HEAT 重復(fù)的蛋白 2）[MIM：614864]，DNAAF6/PIH1D3 [MIM：300933]，CFAP300 /C11orf70 [MIM: 618058]、LRRC6 [MIM: 614930]、SPAG1 [MIM: 603395]、DNAAF7/ZMYND10 [MIM: 607070] 和 CFAP298/C21orf59/FBB18/KURLY [MIM: 615494]。

由上述基因之一的突變引起的 PCD 個體具有不動的纖毛，這些纖毛要么缺乏外動力蛋白臂和內(nèi)動力蛋白臂，要么在這些結(jié)構(gòu)中存在嚴(yán)重缺陷，正如使用動力蛋白臂標(biāo)記的 TEM 和免疫熒光分析所揭示的那樣 蛋白質(zhì)。 這些蛋白質(zhì)對動力蛋白臂組裝的要求已通過在不同模型生物體中進行的研究得到證實，這些模型生物體包括衣藻、錐蟲、草履蟲、果蠅、斑馬魚和小鼠。

動力蛋白臂和 ODA 對接復(fù)合物在細(xì)胞體中預(yù)組裝，并通過 IFT（鞭毛內(nèi)轉(zhuǎn)運）顆粒獨立轉(zhuǎn)運至纖毛。 迄今為止，有關(guān) DNAAF、DNAAF 和動力蛋白臂亞基以及 DNAAF 和熱休克蛋白伴侶之間相互作用的數(shù)據(jù)是零散的。 有人提議 DNAAF 協(xié)助熱休克蛋白伴侶參與這些復(fù)合物的折疊和預(yù)組裝。
 

連接蛋白-動力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合物 (N-DRC)

N-DRC（之前稱為連接蛋白連接）賊初被描述為連接兩個相鄰的外部微管雙峰的橋狀結(jié)構(gòu)。 迄今為止，編碼 N-DRC 亞基（DRC 蛋白、動力蛋白調(diào)節(jié)復(fù)合蛋白）的三個基因的突變已被證明會導(dǎo)致 PCD。 它們是 DRC1/CCDC164 [MIM: 615288]、DRC2/CCDC65 [MIM: 611088] 和 DRC4/GAS8（特定于生長停滯，之前命名為 GAS11）[MIM: 605178]。 與攜帶 CCDC39 或 CCDC40 基因突變或基因編碼蛋白突變的 PCD 患者纖毛的明顯結(jié)構(gòu)改變相反，這些突變是組裝功能性 ODA 不可或缺的，PCD 患者的纖毛是由編碼 N-DRC 亞基的基因突變引起的 乍看有正常或接近正常的結(jié)構(gòu)。 然而，仔細(xì)檢查纖毛橫截面會發(fā)現(xiàn)連接蛋白連接缺失，IDA 數(shù)量略有減少，并且在一些纖毛中，外周雙峰未對齊。 識別纖毛中的此類微小變化需要詳細(xì)的 TEM 檢查和經(jīng)驗豐富的診斷醫(yī)生。 此外，必須記住，即使在健康個體中，也會出現(xiàn)外圍雙聯(lián)體未對齊的纖毛，并且并非所有 N-DRC 在纖毛橫截面上都清晰可見（每個纖毛交叉只能檢測到一到四個連接蛋白鏈接） -部分） 。

雖然難以檢測，但 N-DRC 的超微結(jié)構(gòu)改變會導(dǎo)致纖毛跳動的明顯變化。 通過從 CCDC164 或 CCDC65 突變引起的 PCD 患者鼻刷活檢中獲得的鼻纖毛呼吸細(xì)胞的高速視頻顯微鏡顯示，在受影響的個體中，纖毛跳動的頻率高于健康個體。 此外，纖毛似乎僵硬且多動，并且它們的節(jié)拍幅度略有降低。 在由 GAS8 突變引起的 PCD 病例中，沒有觀察到纖毛跳動頻率的增加。 在這些患者中，僅報告了彎曲幅度的輕微降低。

特異性識別 DRC 亞基的抗體數(shù)量有限。 免疫熒光研究表明，從 CCDC164 突變引起的 PCD 患者獲得的呼吸細(xì)胞纖毛缺乏 GAS8 和 DRC3/LRRC48（見下文），并且從 GAS8 突變患者獲得的呼吸細(xì)胞中不存在 DRC3。

衣藻突變體的遺傳、生化和顯微分析揭示了受影響個體纖毛功能障礙的分子基礎(chǔ)。 在綠藻中，N-DRC 由 11 個 (DRC1-11) 高度進化保守的蛋白質(zhì)組成，并與 96 nm 軸絲單位內(nèi)的其他主要纖毛復(fù)合體和相鄰的外周雙聯(lián)體形成許多連接。 有人提出 N-DRC (1) 限制外雙聯(lián)體滑動的程度，從而在將外雙聯(lián)體的滑動轉(zhuǎn)化為軸絲彎曲中發(fā)揮作用，并且 (2) 作為調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)軸絲彎曲的主要樞紐 軸絲單位中復(fù)合物的活性。 因此，缺乏 N-DRC 會影響其他幾個軸絲結(jié)構(gòu)的功能。

如衣藻所示，DRC1/CCDC164、DRC2/CCDC65 和 DRC4/GAS8 蛋白構(gòu)成了 N-DRC 的核心。 DRC1 和 DRC2 的定位是相互依賴的，編碼這兩種蛋白質(zhì)的基因中的功能缺失突變會導(dǎo)致 DRC1 和 DRC2 以及其他 DRC 亞基 DRC5、6 和 11 的缺失，以及 DRC3 和 DRC7-10 的水平——在表 1 中總結(jié)——以及一些內(nèi)部動力蛋白臂。 結(jié)果，N-DRC 的很大一部分丟失了，正如衣藻突變體鞭毛的低溫 ET 分析所證實的那樣。 與在 CCDC164/DRC1 突變患者中觀察到的表型相反，衣藻 DRC1 突變體中的鞭毛以正?；蚵晕⒔档偷念l率跳動。

表1：脊椎動物模式生物中與 PCD 樣綜合征相關(guān)的基因

在衣藻中，DRC4 功能喪失突變不影響 DRC1 和 DRC2 的纖毛定位，但 DRC3/LRRC48、DRC5/TCTE1（t-復(fù)合物相關(guān)睪丸表達(dá) 1）、DRC6/FBXL13（F-box 和富含亮氨酸的重復(fù)蛋白 13) 和 DRC7/CCDC135 缺失。

對其他 DRC 亞基知之甚少。 drc3 衣藻突變體鞭毛中的 N-DRC 復(fù)合體僅缺少構(gòu)建復(fù)合體遠(yuǎn)端部分的 DRC3。 drc3 突變體僅比野生型細(xì)胞（約 80% 的野生型）游得稍慢，并且突變體鞭毛以更高的頻率（約 130%）跳動，但跳動幅度更低。 值得注意的是，DRC3 的突變會導(dǎo)致小鼠模型出現(xiàn) PCD（表 1）。

在衣藻中，有限的超微結(jié)構(gòu)變化也是由編碼 DRC5 的基因突變引起的。 具有 DRC5 突變（sup-pf-4 突變體）的衣藻鞭毛僅缺少兩個 N-DRC 亞基：DRC5/TCTE1 和 DRC6/FBXL13。 因此，除了 CCDC164/DRC1、CCDC65/DRC2 和 GAS8/DRC4 之外，編碼 N-DRC 亞基的其他基因的突變也可能導(dǎo)致人類 PCD。
 

徑向輻條

由編碼徑向輻條成分的基因突變引起的 PCD 個體，類似于構(gòu)建中央裝置的蛋白質(zhì)突變的個體（見下文），具有該疾病的所有癥狀，除了偏側(cè)性缺陷（結(jié)纖毛缺乏徑向輻條和 中央設(shè)備，如上所述）。

絕大多數(shù)旨在鑒定徑向輪輻蛋白組成和這些結(jié)構(gòu)內(nèi)單個亞基定位的開創(chuàng)性工作是在衣藻和被囊海藻中進行的。

在形態(tài)上，放射狀輻條類似于大寫字母“T”，可分為三個部分：附著在外圍微管雙峰上并向中央裝置延伸的莖； 一個頭，放射狀輻條的賊遠(yuǎn)端部分，可以與中央裝置的投射相互作用； 和連接莖和頭部的頸部。 在衣藻中發(fā)現(xiàn)的 23 種放射狀輻條蛋白中，有 12 種似乎在人類中具有直系同源物，這些基因的突變很可能導(dǎo)致活動纖毛功能障礙。 事實上，據(jù)報道，五個編碼徑向輻條蛋白的基因發(fā)生突變會導(dǎo)致人類 PCD。 這些是編碼徑向輻條頭亞基的基因：RSPH1 [MIM: 609314]、RSPH4A [MIM: 612647] 和 RSPH9 [MIM: 612648]； 徑向輻條桿的一個亞基——RSPH3 [MIM: 615876]； 并且，基于對模式生物的分析，徑向輻條頸的一個亞基——RSP16/HSP40/DNAJB13 [MIM: 610263]。

攜帶 RSPH4A 和 RSPH9 突變的個體的鼻上皮細(xì)胞的高速視頻顯微鏡顯示，纖毛以略低的頻率跳動并顯示出異常的圓周運動。 在 RSPH1、RSPH3 和 DNAJ13B/HSP40 突變的情況下，纖毛不僅跳動頻率略低，而且振幅也降低。 使用經(jīng)典 TEM 的分析表明，超過一半的纖毛橫截面似乎具有正常的 (9 + 2) 組織，而其余纖毛缺乏中央裝置 (9 + 0) 或具有向纖毛中心移動的外部雙峰 (8 + 1)。 此外，在 RSPH3 突變的患者中，整個徑向輻條的缺失是顯而易見的。 有趣的是，對攜帶 RSPH1 突變的個體進行活檢時獲得的鼻上皮細(xì)胞纖毛的更詳細(xì)分析表明，只有徑向輻條 RS1 和 RS2 缺少頭部，而徑向輻條 RS3 的結(jié)構(gòu)似乎完好無損。 因此，賊有可能的是，RS3 和 RS1/RS2 的蛋白質(zhì)組成至少部分不同。

從攜帶徑向輻條蛋白突變的個體的呼吸纖毛中觀察到的結(jié)構(gòu)改變與分析衣藻突變體期間獲得的數(shù)據(jù)一致。 野生型衣藻細(xì)胞有兩個正常大小的輻條，RS1 和 RS2，而第三個輻條被縮小為一個短的旋鈕狀結(jié)構(gòu)。 編碼 RSP3 蛋白（RSPH3 的直向同源物）的基因發(fā)生突變的衣藻細(xì)胞缺乏完整的 RS1 和 RS2 并且鞭毛麻痹，而由 RSP4 突變體組裝的鞭毛（衣藻 RSP4 是人類 RSPH4A 的直向同源物）僅缺乏徑向輻條 ' 頭部和異常移動。 衣藻中 HSP40/DNAJ13B 的耗盡導(dǎo)致 RS1 和 RS2 頸部的輕微結(jié)構(gòu)缺陷，但這兩個復(fù)合體受到不同程度的影響。 突變細(xì)胞的鞭毛以不協(xié)調(diào)的方式運動，通常沒有細(xì)胞推動。 有人提出，HSP40 除了其作為伴侶的功能外，還可以穩(wěn)定對接的徑向輻條的遠(yuǎn)端部分。

中央設(shè)備

盡管人們普遍認(rèn)為部分調(diào)節(jié)纖毛跳動的信號起源于中央裝置，但令人驚訝的是，只有編碼中央裝置組件的三個基因發(fā)生突變，HYDIN [MIM:610812]、SPEF2 [MIM:610172] 和 CFAP221 , 迄今為止被確定為人類 PCD 的原因。 在 PCD 患者中，功能喪失突變不影響 (HYDIN) 或僅略微降低 (SPEF2、CFAP221) 呼吸纖毛的跳動頻率，但纖毛運動不協(xié)調(diào)，彎曲和跳動幅度降低。 還觀察到一些不動的纖毛。 這些纖毛的 TEM 分析揭示了軸絲的一般正常 (9 + 2) 組織。 然而，使用電子斷層掃描進行更詳細(xì)的分析表明，從攜帶 HYDIN 突變的個體獲得的呼吸細(xì)胞纖毛的中央裝置中缺乏 C2b 投射。 Hydin、Spef2 和 Cfap221 基因的突變在小鼠中引起了 PCD 的典型癥狀。

衣藻突變體鞭毛的詳細(xì)結(jié)構(gòu)研究證實了上述數(shù)據(jù)，并揭示了 HYDIN 是 C2b 投射的一個組成部分，其突變導(dǎo)致 C2b 和鄰近的 C2c 投射缺失。 CPC1 是 SPEF2 的衣藻直系同源物，是 C1b 投射的組成部分，CPC1 中的突變導(dǎo)致 C1b 投射缺失； 重要的是，CPC1 突變體纖毛也經(jīng)常缺乏部分或整個 C2b 投射，這表明 C1b 穩(wěn)定了 C2b 投射。 PCDP1 是 CFAP221 的衣藻直系同源物，是 C1d 投射的一個組成部分。

使用下一代測序，在患有 PCD 的個體中發(fā)現(xiàn)了另外兩個編碼中央裝置蛋白的基因的突變。 已鑒定的基因編碼 SPAG16（衣藻 PF20 的直系同源物）和 SPAG17（衣藻 PF6 的直系同源物）。 根據(jù)對衣藻的研究，PF20 是連接兩個中央微管的橋狀結(jié)構(gòu)的組成部分，而 PF6 是 C1a 投射的組成部分。 在受影響的個體中，SPAG16 和 SPAG17 的突變伴隨著 LRRC6 基因的突變。 由于未提供 TEM 圖像，因此尚不清楚缺乏動力蛋白臂是否是這些人少有的超微結(jié)構(gòu)缺陷。 重要的是，攜帶 Spag17 突變的小鼠會出現(xiàn) PCD 癥狀，包括腦積水、鼻竇粘液積聚和嚴(yán)重的呼吸窘迫。 此外，它們無法哺乳并在出生后 12 小時內(nèi)死亡，很可能是死于呼吸衰竭。 對這些突變小鼠氣管纖毛的 TEM 分析顯示，中央微管或 C1 微管投射均不存在。 其他潛在的 PCD 候選基因可能很快就會被描述。

PCD 也是由絲氨酸/蘇氨酸激酶 STK36/FU/FUSED [MIM: 607652] 的突變引起的。 PCD患者呼吸細(xì)胞的透射電鏡分析顯示，絕大多數(shù)呼吸道纖毛橫截面組織正常（9+2），中樞裝置異常僅偶爾可見。 然而，基體水平的橫截面顯示基腳（基腳是與基體相關(guān)的結(jié)構(gòu)，基體極化所需）未正確對齊。

在正常呼吸細(xì)胞中，STK36 定位于整個纖毛長度。 有趣的是，在放射狀輻條亞基 RSPH1、RSPH4A 和 RSPH9 編碼基因發(fā)生突變的患者呼吸細(xì)胞的纖毛中未檢測到 STK36，這表明有效組裝的放射狀輻條的存在是 STK36 纖毛定位所必需的。 在 Fu-/- 小鼠中也觀察到基底體方向錯誤，但與 PCD 患者的纖毛相比，組裝的纖毛通常缺乏中央裝置。 此外，在 STK36 的鼠直向同源物分析過程中獲得的生化數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)used/Stk36 與 Spag16/Pf20 和 Pcdp1/Cfap221 共免疫沉淀，它們分別是橋狀結(jié)構(gòu)的組成部分和 C1d 中央裝置投射的亞基， 以及位于纖毛基部的驅(qū)動蛋白 Kif27。 Stk36 和 Kif27 之間相互作用的意義尚不清楚； Nozawa 和合著者討論了一些假設(shè)。 基于以上數(shù)據(jù)，推測 STK36 可以連接兩個纖毛復(fù)合體，中央裝置和徑向輻條，并可能參與調(diào)節(jié)纖毛跳動的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
 

其他引起人類 PCD 樣癥狀的蛋白質(zhì)

從具有與 PCD 一致的臨床特征的個體獲得的樣本的全外顯子組或基因組測序?qū)е妈b定了額外基因座中的突變，并因此鑒定出額外可能的 PCD 相關(guān)基因。 其中包括 GAS2L2（生長停滯特異性蛋白 2-like 2）、OFD1、RPGR，可能還有 TEKT1 和 LRRC56。

GAS2-like 2（growth-arrest-specific 2）與 GAS2-like 1 和 GAS2-like 3 一起屬于 GAS2 家族。 GAS2 家族的所有成員都促進肌動蛋白絲和微管之間的相互作用，但這些相互作用背后的分子機制很可能是蛋白質(zhì)類型特異性的。 GAS2L2 被提議通過與 EB 蛋白的相互作用來介導(dǎo)肌動蛋白絲和微管的共同排列。 在從健康個體獲得的纖毛 HBE（人支氣管上皮）細(xì)胞中，GAS2L2 定位于基體和肌動蛋白纖維附近。 GAS2L2 中的功能喪失突變不會明顯影響纖毛超微結(jié)構(gòu)，但會導(dǎo)致基底足的隨機方向和隨機纖毛跳動。 此外，纖毛搏動頻率增加。 目前，尚不清楚 GAS2L2 如何影響多纖毛細(xì)胞中基體的定向。

LRRC56 是另一個 PCD 候選基因。 它的突變不會明顯影響通過 TEM 確定的纖毛超微結(jié)構(gòu)，但纖毛嚴(yán)重運動障礙。 纖毛功能障礙的分子機制尚不清楚。 當(dāng)在 HEK293 細(xì)胞中共表達(dá)時，LRRC56 與 IFT88 共免疫沉淀，表明其在纖毛運輸中的作用。 Bonnefoy 和合著者認(rèn)為人類 LRRC56 是衣藻 ODA8 的直系同源物。 然而，人類 LRRC56，一種 542 個氨基酸的蛋白質(zhì)，以及更大的蛋白質(zhì)衣藻 ODA8（921 個氨基酸）和錐蟲直系同源物僅在包含 LRR 結(jié)構(gòu)域的大約 100 個氨基酸區(qū)域內(nèi)顯示相似性。 錐蟲中 LRRC56 樣蛋白的消耗會影響 ODA 的組裝，但僅限于軸絲的遠(yuǎn)端部分。 由衣藻 oda8 突變體組裝的鞭毛缺乏 ODA； 建議 ODA8 參與 ODA 的成熟和向鞭毛的運輸。 因此，ODA8 要么不是 LRRC56 的真正直向同源物，要么，如果這些蛋白質(zhì)是直向同源的，它們在人類纖毛和單細(xì)胞生物的鞭毛中起著不同的作用。

OFD1（oral-facial-digital I 型）蛋白定位于中心粒和基體的遠(yuǎn)端部分，并參與中心粒長度的控制和遠(yuǎn)端附屬物的組裝。 到目前為止，OFD1 的突變與初級纖毛缺陷引起的纖毛病有關(guān)，并表現(xiàn)為嚴(yán)重的神經(jīng)和骨骼異常（例如，1 型口-面-指綜合征、Jourbert 綜合征）。 有趣的是，外顯子 20 和 21 中新發(fā)現(xiàn)的突變會導(dǎo)致 PCD 的典型癥狀，而不會出現(xiàn)其他 OFD1 突變典型的嚴(yán)重骨骼或神經(jīng)系統(tǒng)癥狀。 從攜帶新發(fā)現(xiàn)的突變的患者身上獲得的呼吸道上皮細(xì)胞組裝的纖毛更少，但纖毛卻長得驚人。 TEM 分析顯示大量基體保留在細(xì)胞體中，表明它們與頂端細(xì)胞表面的對接存在缺陷（這與基體遠(yuǎn)端附屬物中存在的 OFD1 一致）。 HSVM分析揭示了不同患者不同程度的纖毛運動缺陷； 從不動的纖毛，僵硬的纖毛不同步地跳動，振幅減小到幾乎正常跳動的纖毛。 在 OFD1 基因外顯子 16 發(fā)生移碼突變的個體中也報道了呼吸纖毛跳動的改變。 這些觀察結(jié)果與顯示 OFD1 定位于人鼻上皮細(xì)胞基底體的數(shù)據(jù)一致。

人 OFD1 亞型 1 是一種 1012 個氨基酸的蛋白質(zhì)。 對衣藻、四膜蟲和草履蟲的基因組進行的搜索導(dǎo)致鑒定出與人類 OFD1 具有某些相似性的蛋白質(zhì)，但僅在 N 末端區(qū)域。 纖毛蟲草履蟲中 OFD1 的耗盡損害了基體與細(xì)胞皮層的對接。 在斑馬魚胚胎中，OFD1 的耗盡導(dǎo)致表型發(fā)生變化，這與活動纖毛和初級纖毛的缺陷一致。
 

RPGR（色素性視網(wǎng)膜炎 GTPase 調(diào)節(jié)劑）的突變導(dǎo)致視網(wǎng)膜退化（色素性視網(wǎng)膜炎）。 然而，與 OFD1 的情況類似，RPGR 中的一些突變似乎也會影響運動纖毛并引起 PCD 除了視力問題之外的典型癥狀。 RPGR 有兩種主要同種型：所謂的 RPGREX 1-19 組成型（轉(zhuǎn)錄本由 19 個外顯子、815 個氨基酸組成）和 RPGR ORF15 同種型，其中包含外顯子 1-14 和交替剪接的外顯子 15 和內(nèi)含子 15（1152 氨基酸）。 RPGR ORF15 專門存在于視桿和視錐的連接纖毛中。 RPGREX 1-19 也在光感受器的連接纖毛中檢測到，但在初級纖毛和氣道上皮細(xì)胞活動纖毛的過渡區(qū)中也檢測到。 RPGR 的功能重要性尚未有效了解。 RPGR 可以與許多纖毛蛋白相互作用，包括過渡區(qū)蛋白（例如 NPHP4、RPGRIP1L），表明它在調(diào)節(jié)纖毛運輸中的作用。 斑馬魚中嗎啉代驅(qū)動的 Rpgr 敲除導(dǎo)致較短的纖毛組裝。 另一方面，有人提出 PCD 患者的活動纖毛功能缺陷是由組裝纖毛的錯誤定向引起的。

賊近，報道了一例患者，除了有腎結(jié)石、視網(wǎng)膜營養(yǎng)不良和骨骼異常等典型的美因澤-薩爾迪諾綜合征（MZSDS）癥狀外，還患有反反復(fù)作的氣道感染。 對從鼻刷中獲得的細(xì)胞進行的 HSVM 分析顯示，纖毛的數(shù)量顯著減少，并且組裝的纖毛要么不動，要么振幅減小且頻率非常低。 TEM 研究表明，所分析的多纖毛細(xì)胞中的基體方向錯誤，而睫狀軸絲似乎具有正常的超微結(jié)構(gòu)。 外顯子富集的 NGS 導(dǎo)致鑒定了兩個基因的突變：(1) WDR19，編碼鞭毛內(nèi)轉(zhuǎn)運成分 IFT144，已知與初級纖毛功能不當(dāng)引起的纖毛病有關(guān)； (2) TEKT1，較早前與纖毛病無關(guān)。 Tektin-1 定位于中心體、基體和運動纖毛軸絲，但不定位于初級纖毛。

編碼鞭毛內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白的 WDR35/IFT121 是另一個基因的例子，其突變以前僅與初級纖毛功能障礙引起的纖毛病有關(guān)，例如顱外胚層發(fā)育不良。 值得一提的是，在一名由 WDR35 突變引起的顱外胚層發(fā)育不良患者中觀察到導(dǎo)致呼吸問題的呼吸纖毛不動或運動障礙。

在模式生物體中引起 PCD 的其他蛋白質(zhì)：人類新的候選基因？

據(jù)估計，在診斷為 PCD 的患者中，大約 30% 的病例尚未確定突變的致病基因。 有趣的是，使用脊椎動物模型對纖毛蛋白的研究導(dǎo)致識別出導(dǎo)致這些模型中 PCD 典型表型改變的其他基因（表 1）。 這些基因可能是人類 PCD 致病基因的良好候選者。

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6952885/