剪接因子prpf31功能及其突变引起视网膜色素变性和眼发育异常的分子机制

The protein encoded by PRPF31 is an important component of spliceosome, which plays a role in the splicing of pre-mRNA. Mutations in PRPF31 gene cause autosomal dominant retinitis pigmentosa (RP) with incomplete penetrance. The exact mechanism of how PRPF31 dysfunction leading to RP remains unclear. In this proposal, we generated the first prpf31 knockout zebrafish model with several kinds of mutant lines in the world. Our preliminary studies demonstrated that the heterozygotes show RP-like phenotypes, while the homozygotes show severe defects in retinal development. Based on these important findings, we are making further efforts to: (1) define the detailed disease course of RP in the prpf31 heterozygotes at different ages, and discover the roles of prpf31 in the regulation of retinal genes’ pre-mRNA splicing and expression by RNA-seq technique; (2) analyze the cause of abnormal early development of retina in prpf31 homozygotes. (3) explore the phenomenon of reduced penetrance of PRPF31 mutations taking the advantage of the large number of zebrafish. Our work will be help for diagnose and treatment of retinitis pigmentosa, and may reveal novel physiological functions of PRPF31 and the pathogenesis of PRPF31-associated RP.

PRPF31蛋白是剪接复合体的重要成分，在pre-mRNA的剪接过程中发挥作用。PRPF31突变可导致视网膜色素变性（RP），且存在外显不全的现象，但其突变引起RP的分子机制尚不明确。前期我们在世界上率先建立了prpf31敲除的斑马鱼模型，发现杂合子斑马鱼出现类似RP表型，而纯合子斑马鱼出现严重的视网膜发育缺陷。本项目将在此基础上进一步开展以下研究：明确prpf31杂合突变斑马鱼在不同时期的RP病理过程;分析prpf31突变是否在剪接水平上破坏光转导相关蛋白等的表达，利用RNA-seq技术发现prpf31在视网膜中新的靶基因,阐明其突变引起RP的分子机制,并分析prpf31完全敲除引起视网膜早期发育异常的原因;利用斑马鱼的数量优势探索prpf31突变的外显不全现象。我们的工作可为RP的诊断和治疗提供依据,还将为揭示PRPF31新的生理功能，阐明PRPF31突变引起RP的机制打下基础。

PRPF31是一个重要的视网膜变性致病基因，但其在视网膜中的生理功能一直缺乏深入地研究，该基因突变引起视网膜感光细胞变性的病理机制还不清楚。在国家自然科学基金项目的支持下，我们应用斑马鱼模型首次发现Prpf31在视网膜发育过程中发挥重要作用。prpf31基因敲除导致斑马鱼视网膜不能正常发育和分化，不能形成正常的感光细胞和其它各类视网膜神经细胞。prpf31-/-斑马鱼视网膜RPC细胞分裂阻滞于M期并出现细胞凋亡。进一步研究发现Prpf31突变引起RPC细胞DNA损伤，这种损伤的累积可激活p53及其信号通路并促发RPC细胞的凋亡。应用转录组和剪接组数据分析及进一步的机制研究，发现Prpf31可调控参与细胞分裂和DNA损伤修复两个信号通路的相关基因的剪接。prpf31突变引起细胞分裂相关基因的剪接和表达缺陷，导致视网膜前体细胞不能正常分裂和分化；而prpf31基因敲除破坏RPC细胞的DNA损伤修复相关基因的剪接，则促发p53信号通路并引起视网膜前体细胞的凋亡；应用正常的人类prpf31基因可以拯救敲除斑马鱼视网膜发育和分化缺陷，但导致视网膜色素变性的prpf31致病突变则失去回补功能，提示PRPF31的致病突变可能通过影响人类视网膜细胞关键靶基因的剪接而破坏正常的细胞分裂和促发感光细胞凋亡，从而导致视网膜色素变性。我们的研究不仅揭示了PRPF31突变引起视网膜色素变性的新的病理机制，还阐明了新的视网膜发育和分化的信号通路和调控机制。