磷酸肌醇在纤毛和多囊肾形成中的作用及机制研究

Phosphoinositides play important roles in cell physiology. INPP5E (inositol polyphosphate-5-phosphatase E) is mutated in human Joubert Syndrome, a disease associated with ciliary defect, thus linking phosphoinositides to cilia. However, the mechanism underlying the role of phosphoinositides in ciliogenesis remains elusive. By characterizing phenotypes of inpp5e morphants, knockdown of inpp5e caused defects in ciliogenesis, cell polarity, apical localization of F-actin and basal bodies. Further, we showed that apical segregation of PI(4,5)P2 and PI(3,4,5)P3, with PI(4,5)P2 to apical and PI(3,4,5)P3 to basolateral, was disrupted in inpp5e morphants. Ezrin functions downstream of Inpp5e and overexpression of Ezrin rescues inpp5e morphants. Thus, our data provide a new mechanism that Inpp5e regulate ciliogenesis by maintaining apical PI(4,5)P2, which sequentially recruit Ezrin, F-actin and basal bodies to apical, through hydrolyzing PI(3,4,5)P3 from apical. Furthermore, application of ly294002 successfully suppressed molecular and cellular defect in inpp5e morphants. We would further check the spatial distribution as well as the downstream Akt signaling of phosphoinositides in joubert syndrome disease models caused by genes besides inpp5e. Moreover, we will figure out the mechanism of apical localization of PI(4,5)P2 by studying Inpp5e and Pip5k1, the kinase for PI(4,5)P2. This study will help us to understand the mechanism of the roles of phosphoinositides in ciliogenesis as well as provide us a new avenue for the treatment of Joubert Syndrome.

磷酸肌醇在维持细胞正常的生理功能中起着非常重要的作用。纤毛类疾病Joubert综合征的致病基因之一INPP5E编码磷酸肌醇-5-磷酸酶蛋白E，因此将磷酸肌醇信号与纤毛生成联系起来，但是其机制并不清楚。我们前期的研究发现了Inpp5e调节纤毛生成的机制，即Inpp5e通过抑制PI(3,4,5)P3从而维持PI(4,5)P2在细胞顶端分布，而PI(4,5)P2会依次招募Ezrin、F-actin和纤毛基体到顶端，从而协助纤毛生成。根据这个理论，我们用PI(3,4,5)P3的抑制剂ly294002成功地挽救inpp5e敲降所引起的分子水平和细胞水平的缺陷。我们将进一步检测磷酸肌醇的空间分布以及其所介导的Akt信号通路在其他基因突变引起的joubert综合征中的作用及机制，通过研究Inpp5e以及Pip5k1阐明PI(4,5)P2顶端定位的机制，并为Joubert综合征的治疗提供新的思路。

纤毛是重要的亚细胞器，广泛分布于脊椎动物的每个细胞中，起感知周围环境中的物理和化学信号的作用，介导多个信号通路。其结构和功能的缺失会导致严重的发育异常和疾病——纤毛类疾病，累及多个器官，包括耳、眼、鼻、脑、心脏、肾脏、肝脏等，目前尚无有效的疗法。.我们利用斑马鱼，通过构建JBTS综合征致病基因inpp5e的突变体并分析其表型，发现其编码的磷酸肌醇去磷酸化酶Inpp5e的作用机制，并揭示了其相关的两个磷酸肌醇PI(4,5)P2和PI(3,4,5)P3在纤毛形成以及阻止多囊肾发生中的作用。我们证明了Inpp5e通过抑制PI(3,4,5)P3，从而维持PI(4,5)P2在上皮细胞顶面的分布，后者进一步招募Ezrin、F-actin，促进纤毛基体在细胞顶面的定位，从而促进纤毛形成。进一步的分析表明，顶面的PI(4,5)P2是由磷酸肌醇激酶Pip5k1a催化PI4P形成的。我们的研究揭示了PI(4,5)P2在细胞顶面的分布是纤毛形成和抑制多囊肾产生所必需的，并且阐释了这一定位的形成和维持机制。根据这一机制，我们抑制PI(3,4,5)P3以维持顶面的PI(4,5)P2，发现可以挽救inpp5e突变所导致的纤毛生成缺陷和多囊肾的表型，为JBTS的治疗提供了新的思路。.综上，我们发现了1）PI(4,5)P2细胞顶面的分布在纤毛形成和抑制多囊肾产生中的重要作用；2）PI(4,5)P2细胞顶面的分布的形成和维持分别由Pip5k1和Inpp5e实现；3）抑制PI(3,4,5)P3以维持顶面的PI(4,5)P2，可以挽救inpp5e突变所导致的纤毛生成缺陷和多囊肾的表型，从而为JBTS的治疗提供了新的思路。