FOR20在动物胚胎发育及纤毛生长过程中的作用及分子机制研究

Cilia are microtubule -based organelle that project from cell membrane, which paly an important role in embryonic development and other basic life processes. Disorders of cilia structure and function contribute to numerous of diseases. Recent data show that the centrosomal protein FOR20 (FOP-related protein of 20 kDa) may influence ciliogenesis. However, the function of FO20 in vivo, and how it is involved in ciliogenesis is largely unknown. Our previous work found that the number and length of cilium in pronephric ducts and Kuppfer’s vesicles were significantly decreased when FOR20 knockdown in zebrafish. Meanwhile, FOR20 knockdown resulted in classical cilia-defects phenotype. Moreover, we found that FOR20 interacts with ciliary protein CEP290. These results indicated that FOR20 may involved in ciliogensis by regulating maturation of basal bodies which are derived from centrsomes, and participated in embryogenesis. In this proposal, we will systematically characterize the biological function of FOR20 in ciliogenesis, and to elucidate its possible molecular mechanism, which may provide potential therapeutic targets for ciliopathies.

纤毛是一种基于微管的突出于细胞表面的细胞器，在动物胚胎发育等一系列基本生命活动中发挥重要作用，其结构或功能异常会导致多种疾病。目前研究显示，进化上保守的中心体蛋白FOR20可能影响细胞纤毛的生长过程；然而，FOR20在整体动物中的生理功能及其对纤毛调控的具体分子机制仍不清楚。我们的前期研究发现，在斑马鱼中下调FOR20不仅会导致肾管和Kuppfer’s vesicle内纤毛数量减少及长度变短，而且还诱导一系列纤毛异常的相关表型。进一步研究显示，FOR20可与纤毛调节蛋白CEP290在中心体上相互作用。这些结果提示，FOR20可能通过调节由中心体衍生的纤毛基体的成熟而影响纤毛生长，进而调控动物胚胎发育过程。本项目拟在动物、细胞及分子水平，系统探讨FOR20在胚胎早期发育及纤毛生长过程中的作用及分子调节机制，为人类纤毛相关疾病的诊治提供新的理论依据。

纤毛存在于动物体内的大多数细胞，是一种以细胞微管为主形成的突出于细胞表面的结构。纤毛起源于中心体，在细胞的G0期或静止期，中心体的母中心粒会转换成纤毛轴丝生发的基体。纤毛不仅能感知细胞外机械和化学信号变化并协助其转导至细胞内部，还提供流体推动力参与细胞的运动功能，因此，它参与调控了细胞多种生理活动以及动物个体发育。纤毛和纤毛上的附属结构在结构或功能上的缺陷会导致多种多样的疾病，总称为“纤毛相关疾病”。近年来研究发现，很多中心体蛋白在纤毛形成、纤毛功能及纤毛相关疾病中扮演重要角色。我们及其他课题组研究初步发现，中心体蛋白FOR20（FOP-related protein of 20 KDa）在哺乳动物细胞中能参与调控细胞周期和纤毛生长，降低FOR20蛋白水平会引起细胞周期阻滞在S期，并抑制纤毛生长。这些研究很好的提示了FOR20蛋白在细胞生物学功能中的重要作用，但是，FOR20在整体水平的生理功能和其对纤毛调控的具体分子机制还不清楚。.我们克隆了斑马鱼for20基因，并发现FOR20蛋白表达在斑马鱼纤毛富集的组织中。我们利用morpholino技术和Crispr/Cas9技术构建的突变体，发现下调或者敲除FOR20会引起斑马鱼体轴弯曲、心包水肿、脑积水、内耳石异常、左右不对称异常和多囊肾等表型。我们观察发现，肾管和Kuppfer’s vesicle小泡内的纤毛数量变少、长度减短，肾管内纤毛运动紊乱或者运动能力急剧下降。重要的是，这些表型能够被外源表达的for20 mRNA部分挽救。这些结果表明，FOR20对于斑马鱼内纤毛的形成和功能起着不可或缺的作用。因此，我们进一步利用细胞模型探索FOR20调控纤毛生长的分子机制。在哺乳动物细胞中，我们发现FOR20能和参与纤毛生长的中心粒卫星蛋白BBS4和CEP290相互作用。FOR20敲低会引起两个蛋白在中心粒卫星上定位减少。另外，过表达BBS4和CEP290能够部分挽救FOR20敲低引起的纤毛缺陷表型。这些结果提示，FOR20可能通过调控BBS4 和CEP290 从而在纤毛的发生和保持中心粒卫星完整性中发挥重要作用。