刘妍教授团队揭示神经干细胞分化调控的新机制

发布单位:人事处、人才工作办公室编辑:发布日期:2018/11/07浏览量:3835

    神经干细胞移植被认为是治疗神经退行性疾病和神经系统损伤的有效途径,神经干细胞干性维持和定向分化的调控机制一直是该领域研究的热点。Sox2(Sex determining region Y-box 2)作为重要的干细胞因子,在神经系统发育和神经细胞损伤修复过程中发挥重要作用【1】。尽管关于Sox2的转录调控目前已有相当多的研究报道,并且在胚胎干细胞中围绕Sox2蛋白的蛋白质翻译后修饰也有不少研究(磷酸化【2】、乙酰化【3】、SUMO化【4】、甲基化【5】等),但是在神经干细胞Sox2蛋白的稳定是如何受到精细调控的分子机制目前并不明确。

    11月7日,军事医学研究院生命组学研究所张令强课题组与南京医科大学药学院刘妍课题组合作在Natture Communications杂志上发表了题为Dynamic ubiquitylation of Sox2 regulates proteostasis and governs neural progenitor cell differentiation的研究论文,揭示了Sox2泛素化和去泛素化调控神经干细胞分化的新机制,阐明了泛素连接酶CUL4ADET1-COP1和去泛素化酶OTUD7B调控神经干细胞分化的新功能,为神经退行性疾病和神经系统损伤的治疗提供了新的思路和靶点。

在这项研究中,研究人员发现随着神经干细胞的分化,Sox2蛋白水平逐渐降低,而mRNA水平变化不大,而Sox2蛋白水平的变化主要受泛素化修饰的影响。为进一步揭示调控Sox2泛素化修饰的E3和DUB,研究人员分别从RING类E3和OTU家族的DUB中筛选能特异性调节Sox2蛋白稳定性的E3和DUB。

研究发现,CUL4A( Cullin-RING finger ligase complex成员之一 )表达随神经干细胞分化而上调,且CUL4A过表达能够增加Sox2泛素化水平并促进其降解。CUL4A作为泛素连接酶复合体中的骨架蛋白,并不直接识别并结合底物分子,而是招募适配子DDB1连接自己和识别亚基DDB1-CUL4-associated factors(DCAFs),进而实现对底物的泛素化修饰。

为鉴定能够直接识别Sox2的DCAFs分子,研究人员还利用人源E3-底物相互作用预测生物信息平台UbiBrower,将Sox2作为底物检索,获得了84个预测E3,而COP1(constitutive photomorphogenic 1,该蛋白最早是邓兴旺教授在拟南芥中筛选光调控植物形态建成的过程中发现并命名)是其中唯一的DCAFs家族成员。随后,研究人员进一步证实COP1通过Sox2的V303/P304结构域与其发生直接相互作用;COP1作为“桥梁”介导CUL4A复合体对Sox2的泛素化调控(COP1作为“桥梁”介导CUL4A复合体的作用在拟南芥中也是保守的)。而功能性实验也证实COP1能够通过增加Sox2的泛素化降解,促进神经干细胞分化。泛素化修饰作为一种处于动态可逆的翻译后修饰,那么,是否存在能去除Sox2泛素化修饰,稳定其蛋白水平的DUB呢?研究人员发现OTUD7B能够去除Sox2泛素化修饰,稳定Sox2蛋白,进而抑制神经干细胞分化。值得一提的是,OTUD7B是第一个被鉴定到的调控Sox2蛋白稳定性的去泛素化酶

在此前的研究中,华东师范大学翁杰敏教授课题组曾报道在胚胎干细胞中,泛素连接酶WWP2在甲基化酶Set7的作用下参与Sox2泛素化修饰并继而影响胚胎干细胞的命运决定【5】;泛素结合酶Ube2S介导Sox2的泛素化并促进胚胎干细胞向神经外胚层谱系分化。而本文中的研究则发现,WWP2、Set7及Ube2S均不参与Sox2在神经干细胞中的蛋白质稳定性调控,即在细胞分化的不同阶段,不同的泛素连接酶介导了Sox2的泛素化修饰。

总的来说,该项研究揭示了在神经干细胞分化过程中Sox2所经受的一种崭新的、不同于胚胎干细胞内的泛素化修饰调控机制,鉴定到了能特异性识别并调控Sox2蛋白水平及活性的泛素连接酶和去泛素化酶。该研究加深了对神经干细胞内Sox2翻译后修饰调控的认识,也为神经系统疾病的治疗提供了新的靶点和思路。

据悉,军事医学研究院生命组学研究所的崔春萍研究员,张源博士,王婵娟博士和南京医科大学的袁方博士生是该文章的共同第一作者。张令强教授和刘妍教授为本文的通讯作者。

参考文献:

1、Graham, V., Khudyakov, J., Ellis, P. & Pevny, L. Sox2 functions to maintain neural progenitor identity. Neuron39, 749–765 (2003).

2、Jeong, C. H. et al. Phosphorylation of Sox2 cooperates in reprogramming to pluripotent stem cells. Stem Cells 28, 2141–2150 (2010).

3、Baltus, G. A. et al. Acetylation of sox2 induces its nuclear export in embryonic stem cells. Stem Cells27, 2175–2184 (2009).

4、Tsuruzoe, S. et al. Inhibition of DNA binding of Sox2 by the SUMO conjugation. Biochem. Res. Commun. 351, 920–926 (2006).

5、Fang, L. et al. A methylation-phosphorylation switch determines Sox2 stability and function in ESC maintenance or differentiation. Mol. Cell55, 537–551 (2014).