Science China Life Sciences: GM130调节II型肺泡细胞中肺表面活性蛋白质的分泌

2021年3月，中科院遗传与发育生物学研究所、济宁医学院、安徽大学的相关研究人员在《Science China Life Sciences》上发表了题为“GM130 regulates pulmonary surfactant protein secretion in alveolar type II cells”的研究论文，揭示了GM130和哺乳动物高尔基体在肺表面活性物质分泌和产后肺发育过程中的重要作用。

亮点概述：

GM130蛋白缺失可导致高尔基体结构破坏，肺表面活性蛋白质和脂质的分泌受损。
GM130的缺失导致Sftpa在内质网中被捕获，Sftpb和Sftpc在高尔基体中积聚，并增加Sftpd的代偿性分泌。
GM130基因敲除导致小鼠肺泡间隙增大，肺泡上皮自噬增加。
表面活性物质补充部分挽救了GM130缺失小鼠肺泡间隙增大的缺陷。

研究背景：

肺泡与周围的毛细血管紧密连接，形成气血屏障，直接参与气体交换。肺泡表面有两种类型的上皮细胞：I型肺泡（ATI）细胞和II型肺泡（ATII）细胞。ATII细胞的主要功能是合成和分泌肺表面活性物质。肺表面活性物质是一种由90%的脂质和10%的蛋白质组成的复合物，在肺泡空间形成界面膜，以降低空气-血液界面的表面张力，并在呼吸循环期间保护肺泡结构。四种已知的表面活性蛋白（SPs）分为疏水性和亲水性两类，其中疏水性SPs—Sftpb和Sftpc对于促进表面活性剂膜的吸附和稳定至关重要，而亲水性SPs—Sftpa和Sftpd则参与对外来物的免疫反应。

肺SP分泌是一个严格调节的过程。在ATII细胞中，表面活性蛋白在内质网（ER）中合成并转运至高尔基体（GA）。新合成的表面活性剂蛋白B和C进一步通过多囊泡体（MVB）从GA转运到片状体（LBs），随后它们整合到表面活性剂脂质-蛋白质复合物中，并在LBs与质膜融合后被分泌到肺泡表面。Sftpa和Sftpd以不依赖LB的方式直接从GA中分泌出来。肺功能依赖于肺泡表面活性物质的精确调节。GM130最初被鉴定为位于GA顺式侧以保持其结构完整性的高尔基体蛋白，是ER向GA转运，蛋白糖基化，细胞周期进程和细胞迁移所必需的。但是，尚未研究GM130在肺上皮细胞中的生理功能。

研究人员首先探究了GM130在肺发育过程中的体内功能。肺结构膨胀的组织学分析结果表明，GM130缺失（GM130-/-）导致小鼠肺气腔扩大，不影响肺泡上皮细胞分化，但会抑制肺中糖蛋白的分泌。GA的形态分析显示，GM130缺乏会破坏高尔基复合体的带状结构，表明M130对于维持肺ATII细胞的GA结构至关重要。此外，脂质组学分析支气管肺泡灌洗液（BAL）和剩余肺组织发现，GM130的缺失选择性地抑制肺上皮细胞的脂质生物合成和分泌。

GM130基因敲除小鼠的高尔基体结构被破坏，脂质合成和分泌受损

由于GM130缺失细胞中高尔基复合体的形态存在差异，研究人员接着探究GM130基因敲除小鼠肺中SP的分泌是否受到影响。结果发现，GM130缺失小鼠BAL中成熟Sftpb和Sftpc的表达减少，Sftpd表达增加和Sftpa表达减少。GM130缺失小鼠的肺组织中，所有受试SP的水平均显著升高，此外，GM130缺失小鼠知道产后35天（P35）时，肺中未检测到Sftpa或Prosftp的累积，而从P0开始，pro Sftpc和Sftpd水平就显著升高。这些结果表明GM130缺失可选择性地抑制肺上皮细胞中SPs的分泌。

GM130缺失抑制肺上皮细胞分泌SPs

为了证实SP分泌受损，研究人员构建了绿色荧光蛋白（GFP）标记的SP载体，并检测了这些GFP-SP融合蛋白在小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）中的定位和转运。结果发现，GM130对于MEFs内的Sftpa、Sftpb和Sftpc转运至关重要，GM130的缺失会选择性地抑制MEFs中SP的转运，导致Sftpa在内质网中被捕获，Sftpb和Sftpc在高尔基体中积聚。研究人员接着采用共免疫荧光染色法分析了SP在肺组织细胞中的亚细胞定位和表达，以确定体内SP分泌是否需要GM130，与GM130−MEFs中的观察结果一致，Sftpa、Sftpb和Sftpc，在GM130−ATII细胞中以集中的荧光信号大规模聚集，这些聚集体与ER标记（Sftpa）或GA标记（Sftpb和Sftpc）共定位，表明GM130是肺ATII细胞中SP转运所必需的，GM130缺失会损害体内肺表面活性物质的分泌。

GFP-Sftpb和GFP-Sftpc在GM130-MEFs的GA中被捕获

GM130基因敲除诱导ATII上皮细胞中Sftpb和Sftpc在GA中积聚

现有研究表明，高尔基体断裂导致错误折叠蛋白质的积累并诱导ER应激，而ER应激的延长可能触发自噬和凋亡。研究人员通过测定ER应激蛋白的表达发现，GM130缺失并不会诱导ER应激反应。此外，研究人员检测了LC3-II蛋白水平用于监测自噬体的形成，发现GM130的缺失触发了肺上皮细胞的自噬，且GM130对自噬的影响与其对SPs分泌的影响无关。

最后，为了确定SP分泌减少是否导致GM130缺失小鼠的发育缺陷，研究人员给新生的GM130+/+和GM130-/-小鼠注射了CALSURF。CALSURF是一种天然的牛肺提取物，含有磷脂、胆固醇、甘油三酯、游离脂肪酸和表面结合蛋白（Sftpb和Sftpc），结果发现，表面活性物质补充部分挽救了GM130缺失小鼠肺泡间隙增大的缺陷。