脑桥小脑发育不全症（Pontocerebellar hypoplasia，PCH）是一类神经发育障碍疾病，共同特征包括脑桥小脑发育不全，小头畸形及不同程度的脑室扩大，有时大脑也可受累。该类疾病的临床特征为认知障碍、运动障碍、癫痫发作及轻度至重度智力障碍^{1, 2}。目前已知的脑桥小脑发育不全症致病基因有20多个。TBC1D23是Rab特异性GTP酶活化蛋白家族（TBC/RabGAPs）的成员，广泛表达于各组织器官，主要定位于高尔基体，在内吞体-高尔基体的运输途径中发挥重要功能^3-5。TBC1D23基因纯合突变（大多为无义突变，导致蛋白翻译提前终止）可导致PCH，但致病机制仍有待阐明。

近期，我院贾大团队在Nature Communications在线发表了题为“TBC1D23 mediates Golgi-specific LKB1 signaling”的研究论文，报道了TBC1D23在高尔基体LKB1-AMPK信号通路中的功能与作用机制（图1），揭示了TBC1D23基因纯合突变导致脑桥小脑发育不全症的机制，推动了相关疾病的诊断和治疗。

能量代谢是细胞最基本及最重要的生命活动之一，涉及细胞所需的营养摄入与转化、能量产生与消耗之间的平衡，以及对代谢应激状态的感应和调整。能量水平下降时，细胞能够触发一系列的应答机制，其中最为关键的就是激活“能量感应器”及“代谢的调节核心”—AMPK（AMP-activated protein kinase）。能量压力导致的AMPK活化主要依赖于上游激酶LKB1（Liver kinase B1）介导的磷酸化（Thr172）；细胞内钙离子水平上升导致的AMPK磷酸化（Thr172）与活化则依赖于上游激酶CAMKK2（calcium/calmodulin-dependent protein kinase kinase 2）⁶。除了经典的异构激活及上游激酶介导的磷酸化，AMPK活性及功能也受到蛋白稳定性、SUMO化及乙酰化等翻译后修饰的调控⁷。近来多项研究表明，LKB1/AMPK在多个亚细胞器的“区室化”分布与激活是根据能量状态对AMPK信号通路进行时空多元调节的重要机制^{6, 8}。

目前LKB1-AMPK的研究主要聚焦在溶酶体及线粒体等细胞器（图1）。林圣彩教授团队的系列工作阐述了AMPK激活的“溶酶体途径”^9-12，Reuben Shaw团队及多个课题组解析了AMPK维持线粒体稳态的机制^{6, 13, 14}。值得一提的是，LKB1-AMPK通路在不同的细胞器上，功能差及调控机制均存在显著的差异。高尔基体是细胞内物质运输的关键枢纽，在细胞稳态维持中也发挥重要作用，然而高尔基体LKB1-AMPK信号通路的研究甚少。

图1. LKB1/AMPK的“区室化”分布与活化

研究通过IP-MS及pull down等实验鉴定了LKB1与TBC1D23的直接互作。通过细胞器特异的AMPK活性的分子探针^{15, 16}，发现TBC1D23缺失特异性地导致高尔基体AMPK活化受损，而不影响溶酶体及线粒体AMPK的活化。高尔基体AMPK活化的缺陷导致能量压力下高尔基体的解聚受损。

进一步的研究表明，LKB1 的缺失导致斑马鱼神经发育异常，表型与TBC1D23 缺失的斑马鱼类似，且高尔基体定位的LKB1可恢复TBC1D23缺失导致的斑马鱼神经发育异常，提示TBC1D23与LKB1在调控神经发育中的协同作用（图2）。该研究揭示了高尔基体LKB1信号通路的调控机制，也提示高尔基体LKB1信号通路的异常可能参与PCH的疾病发生。

图2. LKB1与TBC1D23协同调控斑马鱼的神经发育

我院西部妇幼医学研究院涂英凤、杨芹和唐敏为该篇论文的共同第一作者，通讯作者为贾大教授。四川大学的戴伦治教授、汪源教授，南京医科大学的刘妍教授，中国科学院动物研究所的唐铁山研究员及浙江大学的徐平龙教授等人也为课题提供了大力支持。

1.Ivanova, E.L. et al. Homozygous Truncating Variants in TBC1D23 Cause Pontocerebellar Hypoplasia and Alter Cortical Development. Am J Hum Genet 101, 428-440 (2017).

2.Marin-Valencia, I. et al. Homozygous Mutations in TBC1D23 Lead to a Non-degenerative Form of Pontocerebellar Hypoplasia. Am J Hum Genet 101, 441-450 (2017).

3.Huang, W. et al. Structural and functional studies of TBC1D23 C-terminal domain provide a link between endosomal trafficking and PCH. Proc Natl Acad Sci U S A 116, 22598-22608 (2019).

4.Liu, D. et al. Structure of TBC1D23 N-terminus reveals a novel role for rhodanese domain. PLoS Biol 18, e3000746 (2020).

5.Shin, J.J.H., Gillingham, A.K., Begum, F., Chadwick, J. & Munro, S. TBC1D23 is a bridging factor for endosomal vesicle capture by golgins at the trans-Golgi. Nat Cell Biol 19, 1424-1432 (2017).

6.Chauhan, A.S., Zhuang, L. & Gan, B. Spatial control of AMPK signaling at subcellular compartments. Crit Rev Biochem Mol Biol 55, 17-32 (2020).

7.Garcia, D. & Shaw, R.J. AMPK: Mechanisms of Cellular Energy Sensing and Restoration of me-x-tabolic Balance. Mol Cell 66, 789-800 (2017).

8.Trefts, E. & Shaw, R.J. AMPK: restoring me-x-tabolic homeostasis over space and time. Mol Cell 81, 3677-3690 (2021).

9.Zhang, C.S. et al. Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK. Nature 548, 112-116 (2017).

10.Zhang, Y.L. et al. AMP as a low-energy charge signal autonomously initiates assembly of AXIN-AMPK-LKB1 complex for AMPK activation. Cell me-x-tab 18, 546-555 (2013).

11.Zhang, C.S. et al. The lysosomal v-ATPase-Ragulator complex is a common activator for AMPK and mTORC1, acting as a switch between catabolism and anabolism. Cell me-x-tab 20, 526-540 (2014).

12.Li, M. et al. Transient Receptor Potential V Channels Are Essential for Glucose Sensing by Aldolase and AMPK. Cell me-x-tab 30, 508-524 e512 (2019).

13.Toyama, E.Q. et al. me-x-tabolism. AMP-activated protein kinase mediates mitochondrial fission in response to energy stress. Science 351, 275-281 (2016).

14.Chen, Z. et al. Global phosphoproteomic analysis reveals ARMC10 as an AMPK substrate that regulates mitochondrial dynamics. Nat Commun 10, 104 (2019).

15.Miyamoto, T. et al. Compartmentalized AMPK signaling illuminated by genetically encoded molecular sensors and actuators. Cell Rep 11, 657-670 (2015).

16.Schmitt, D.L. et al. Spatial regulation of AMPK signaling revealed by a sensitive kinase activity reporter. Nat Commun 13, 3856 (2022).