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      2. 生命科學學院朱健課題組揭示Hedgehog信號途徑穩態調控新機制

        生命科學學院膜生物學國家重點實驗室朱健研究員

        北京大學生命科學學院朱健課題組2021年2月1日在Journal of Cell Biology發表了題為“Competition between two phosphatases fine-tunesHedgehog signaling”的研究論文。該項研究發現了磷酸酶PP6的催化亞基PpV特異地調控Hedgehog (Hh) 信號途徑,闡釋了PpV通過競爭結合磷酸酶PP2A調節亞基Widerborst (Wdb)介導Wdb蛋白降解,并且作為Hh的直接感受器精密調節Hh穩態的作用機制。

        多細胞生物個體由單一受精卵發育成熟而來。在這個復雜的發育進程中,基因的時空表達受到精細和完善的調控。經典的Hh信號途徑進化上高度保守,在發育過程中的多個方面起著至關重要的作用,包括細胞增殖、模式形成、細胞干性維持和成體組織穩態等,其失調會引起嚴重的人類發育缺陷和多種癌癥。

        Hh信號途徑的激活依賴于激活蛋白Smoothened (Smo) 的磷酸化及其介導的細胞膜定位。蛋白激酶PKA和CKI對Smo級聯磷酸化以響應不同濃度的Hh信號,有選擇地激活下游目的基因。朱健課題組的前期工作發現磷酸酶PP1和PP2A分別拮抗PKA和CKI的活性以維持Smo級聯磷酸化的穩態。其中PP2A的B’/B56調節亞基Wdb特異地調控PP2A對Smo的活性。由于已有的實驗證據表明PKA和CKI并不受Hh信號直接調控,PP1和PP2A-Wdb是如何響應Hh信號成了Hh信號傳導機制的一個重要環節。

        在本工作中,研究團隊首先發現PpV表達水平的下調無法維持高水平Smo磷酸化介導的Hh信號激活,這與wdb過度激活的表型極為相似。遺傳學實驗證實了PpV作用于wdb的上游,PpV對Hh信號途徑的調控作用依賴于Wdb的活性。隨后團隊發現在PpV基因敲除突變體中,Wdb的蛋白水平顯著上調。進一步生化實驗證實PpV與Wdb直接結合并介導了后者的泛素化和隨后在蛋白酶體中的降解。值得注意的是,PpV對Wdb蛋白穩態的調控并不依賴于PpV的磷酸酶活性,而是通過與PP2A催化亞基PP2Ac/Mts競爭結合Wdb從而引起PP2A全酶解聚,從全酶中解聚的Wdb被蛋白酶體識別并降解。

        PpV競爭結合Wdb以調控Smo級聯磷酸化介導的Hh信號梯度激活

        由于Hh信號通過轉錄后調控的方式降低了Wdb的蛋白表達,因此PpV可能做為Hh的直接感受器來接駁Hh信號和Wdb-PP2A的活性。PpV的免疫熒光染色顯示其確實存在與Hh信號梯度激活相吻合的表達圖式:中低水平的Hh信號激活并穩定PpV,極高水平的Hh信號抑制PpV。更值得注意的是,Hh信號轉錄因子Ci/Gli的結合位點在PpV的調控序列中成簇存在,暗示PpV極有可能是Hh信號的直接靶基因。此外,PpV的調控序列中也存在轉錄抑制因子En/EN1的轉錄結合位點,而En則是響應極高水平Hh的直接靶基因之一。通過對PpV調控序列中順式作用元件的功能分析,團隊充分闡釋了Ci/Gli與En/EN1協同作用形成PpV表達圖示的原因。綜上所述,PpV直接感受Hh信號梯度,通過調控Wdb-PP2A的活性組成了包含多個負反饋循環的磷酸酶調控網絡,極大地增強了Hh信號途徑穩態的調節能力。本工作完善了Hh信號傳導機制的關鍵環節,為深入理解Hh信號穩態的調控提供了重要信息,對人類先天發育缺陷和包括癌癥在內的疾病預防和臨床治療有重要的意義。

        PpV響應Hh信號梯度

        北京大學生命科學學院、生命科學聯合中心朱健研究員和朱健課題組已出站博士后,中國海洋大學海洋生命學院、海洋生物多樣性與進化研究所蘇穎教授為本論文的共同通訊作者,朱健課題組劉敏副研究員、前沿交叉學科研究院2014級已畢業博士研究生劉愛國和生命科學學院2019級博士研究生王潔為論文的共同第一作者。2017級博士研究生張延松和2013級已畢業博士研究生李亞娟參與了部分工作。該項研究得到了國家自然科學基金、生命科學聯合中心、細胞增殖與分化教育部重點實驗室、生命科學學院儀器中心以及鳳凰平臺的大力支持。

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