Cep19-KO 基因敲除小鼠

Cep19，也称为Centrosomal protein 19，是一个编码中心体和纤毛蛋白的基因。Cep19在多种组织中表达，并在中心体和初级纤毛中定位。初级纤毛是细胞表面的一种微小结构，参与细胞信号传导和细胞内运输。Cep19的突变与多种疾病相关，包括Bardet-Biedl综合征、早发性严重肥胖和糖尿病酮症酸中毒等。

Bardet-Biedl综合征（BBS）是一种以纤毛功能障碍为特征的遗传性疾病，具有广泛的表型变异和遗传异质性。一项研究发现，在一个具有BBS表型的近亲家族中，患者具有后轴多指、视杆-视锥营养不良、肥胖、智力障碍、肾畸形、发育迟缓、牙齿异常、言语障碍和脂肪肝增大的临床特征。通过连锁分析和外显子测序，研究人员在CEP19基因中发现了一个同源终止突变（c.194_195insA, p.Tyr65*）。此外，研究还发现GLI1基因中的同源突变（c.820G>C, p.Gly274Arg）和多个BBS相关基因中的修饰等位基因，这些变异在患者中比对照组更常见。CEP19基因编码的中心体和纤毛蛋白与所有BBS基因一样，与中心体和纤毛功能相关。另一个截断突变（p.Arg82*）已被报道在家族性病态肥胖中起作用，但在所研究的家族中，并非所有同源基因型个体都肥胖，尽管有些人严重肥胖。GLI1基因编码的转录因子定位于初级纤毛和细胞核，是sonic hedgehog通路的介质，可能在同源状态下加剧疾病严重程度[1]。

早发性严重肥胖是一种由遗传因素引起的疾病。一项研究发现，在一个土耳其家庭中，一个12岁的女孩出现了严重肥胖（BMI为62.7 kg/m2）、代谢综合征和糖尿病酮症酸中毒。她的同卵双生姐妹也有早发性严重肥胖、代谢综合征和糖尿病。此外，一个受影响的姐妹还出现了腹部内脏逆位、多脾、腰椎融合和侧向异常。通过Sanger测序和全外显子测序，研究人员在所有受影响的家庭成员中发现了CEP19基因中的一个新的同源无义突变（c.169C>T, p. Arg57*）。该突变预计会在氨基酸序列57处产生一个终止密码子，导致Cep19蛋白截断。这项研究扩大了CEP19变异的表型表现和变异数据库。其中一位患者的发现证实了Cep19在运动和非运动纤毛的组装和功能中的作用[2]。

纤毛内部运输（IFT）机制介导了纤毛蛋白在纤毛门之间的进出口，以及纤毛内部的蛋白双向运输。IFT-B复合物除了参与纤毛前向蛋白运输外，还与BBSome一起参与膜蛋白的出口。BBSome由8个亚基组成，这些亚基由BBS相关基因编码。IFT-B复合物中的IFT25-IFT27/BBS19二聚体构成了其与BBSome的界面。研究发现，IFT25-IFT27和RABL2 GTP酶以相互排斥的方式与IFT-B复合物中的IFT74/BBS22-IFT81二聚体结合。表达GTP锁定的RABL2 [RABL2(Q80L)]的细胞表现出了与IFT27敲除细胞相似的BBS相关纤毛缺陷，包括LZTFL1/BBS17和BBSome在纤毛中的积累，以及纤毛GPCRs GPR161和Smoothened的出口抑制。RABL2(Q80L)以依赖于中心体蛋白CEP19的方式进入纤毛，但其进入纤毛并非导致BBS相关纤毛缺陷所必需。这些观察结果表明，GTP结合的RABL2可能需要募集IFT-B复合物到纤毛基底部，在那里它被IFT25-IFT27取代[3]。

肥胖是一个主要的公共卫生问题，研究人员一直在寻找影响能量平衡调节的基因突变。一项研究发现，受影响的家庭成员的平均体重指数为48.7（范围=36.7-61.0），并且都具有代谢综合征的特征。通过同源定位，研究人员将疾病位点定位到3q29区域，并命名为病态肥胖1（MO1）位点。序列分析显示，所有受影响的家庭成员都存在CEP19基因中的同源无义突变。CEP19在脊椎动物和无脊椎动物中高度保守，在多种组织中表达，并在中心体和初级纤毛中定位。同源Cep19敲除小鼠表现出病态肥胖、食欲过旺、葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗。因此，人类和小鼠中纤毛蛋白CEP19的失活会导致病态肥胖，并为研究该疾病的分子发病机制和潜在的肥胖和营养不良治疗方法提供了新的靶点[4]。

IFT蛋白复合物高度保守，指导初级纤毛的组装和信号分子的运输。IFT复合物最初在纤毛基部积累，并周期性地进入纤毛，这表明存在一种尚未被发现的机制触发IFT复合物进入纤毛。一项研究发现，通过亲和纯化和质谱分析，鉴定了CEP350、FOP和RABL2B GTP酶作为组织IFT复合物进入纤毛的第一个已知机制的蛋白质。研究还发现，CEP19被募集到纤毛基底部，并通过其内在核苷酸交换激活捕获GTP结合的RABL2B。激活的RABL2B然后捕获并释放其单一效应物，即内源性运输B全复合物，从而启动IFT进入纤毛[5]。

RABL2和CEP19在纤毛组装和功能中发挥着重要作用。研究发现，RABL2与CEP19相互作用，并以CEP19依赖的方式被募集到母中心粒和基体。CEP19可能通过结合中心体蛋白FGFR1OP被募集到中心粒。破坏秀丽隐杆线虫中的RABL2基因会导致无鞭毛表型，这表明RABL2在纤毛/鞭毛组装中起着至关重要的作用。研究还发现，RABL2在GTP结合状态下与IFT-B复合物相互作用，通过IFT74-IFT81异源二聚体。这种相互作用被雄性不育小鼠（Mot小鼠）中发现的突变破坏，Mot小鼠具有精子鞭毛运动缺陷。有趣的是，RABL2与CEP19和IFT74-IFT81异源二聚体以相互排斥的方式结合。此外，在人细胞中过表达GDP锁定的或Mot型RABL2突变体会导致纤毛组装的轻度缺陷。这些结果表明，定位于基体的RABL2通过其与IFT-B复合物的相互作用在纤毛/鞭毛组装中发挥着重要作用[6]。

早发性严重肥胖是一种由遗传因素引起的疾病。一项研究发现，通过全外显子测序，在极重度肥胖（儿童体重身高比大于世界卫生组织儿童生长标准中位数3个标准差）和控制非肥胖（体重指数25>30）的个体中发现了新的变异和单倍型。在单倍型关联研究中，CEP19上的TC单倍型、SDCCAG8上的CATA单倍型、ADCY3上的CAA、CTA、CAAA和TTGA单倍型与单基因肥胖显著相关。该研究结果表明，rs2275155和rs116167439的T等位基因以及ADCY3上罕见的rs201676524变异与单基因肥胖的风险增加相关。这些发现可能为未来研究提供新的思路[7]。

在斑马鱼中，污染物诱导的表观遗传变化可以在多代之间传播。一项研究发现，在斑马鱼中，第一代鱼仅暴露于环境相关浓度的镉。通过全甲基组分析，研究人员首先确定了在Cd暴露的第一代和第二代鱼中共同存在的差异甲基化DNA区域。然后，他们关注了CEP19基因的外显子3（ex3），因为在该外显子中发现的突变在哺乳动物中已知会导致病态肥胖。研究结果表明，Cd诱导的DNA甲基化变化在第四代鱼中仍然存在。然而，这些变化与遗传变异密切相关，主要是单个核苷酸多态性。该单个核苷酸多态性本身就是甲基化位点的创建或删除的起源，并深刻地影响了邻近甲基化位点的甲基化水平。Cd诱导的表观遗传变化与不同的mRNA转录本和Cd鱼的条件改善相关。这些结果表明，遗传和表观遗传机制之间存在紧密的关系，并表明它们的相互作用和预先存在的多样性可以允许快速适应人为环境变化[8]。

在猪的体外受精2细胞胚胎中，对称分裂（Sym）和不对称分裂（Asy）已被观察到。一项研究发现，Sym胚胎和Asy胚胎分别占体外受精2细胞胚胎的62.55%和37.45%。Sym组的2细胞率、囊胚率和总囊胚细胞数显著高于Asy组。在孤雌生殖激活（PA）胚胎中，Sym组的2细胞率、囊胚率和总囊胚细胞数也显著高于Asy组。通过Smart-seq2技术，研究人员筛选出216个差异表达基因（DEGs），包括147个上调基因和69个下调基因。进一步基因本体（GO）分析表明，这些DEGs与代谢过程、细胞周期、染色体分离、着丝粒区域和微管细胞骨架的调节相关。京都基因与基因组百科全书（KEGG）分析显示，DEGs主要富集于卵母细胞减数分裂、细胞周期、p53和Hippo信号通路。研究结果表明，不对称分裂是基因表达改变的结果。Atg4c、Sesn2、Stk11ip、Slc25a6、Cep19和Cep55与线粒体功能和细胞骨架结构相关，可能是确定合子分裂模式的候选基因[9]。

综上所述，CEP19基因在纤毛功能和能量平衡调节中发挥着重要作用。CEP19基因的突变与多种疾病相关，包括BBS、早发性严重肥胖和糖尿病酮症酸中毒等。CEP19基因的突变可能导致纤毛功能障碍和能量代谢失调，进而导致肥胖和其他相关疾病的发生。研究CEP19基因的功能和突变机制有助于深入理解这些疾病的发病机制，并为开发新的治疗方法提供新的思路和策略。