近日，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院郭崢教授團(tuán)隊(duì)在發(fā)育生物學(xué)知名期刊《Development》上發(fā)表了題為“Kuzbanian expression levels dictate Notch signaling outcomes via interplay between cis- and trans-Delta”的研究論文。華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)系博士生施奮瑜為第一作者，郭崢教授為通訊作者。

Notch信號通路介導(dǎo)相鄰細(xì)胞間通訊，對細(xì)胞命運(yùn)決定和組織穩(wěn)態(tài)起到了至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有的模型認(rèn)為當(dāng)反式配體（trans-ligand）結(jié)合Notch后，在機(jī)械力的作用下配體打開Notch受體原本閉合的NRR結(jié)構(gòu)域，暴露出S2切割位點(diǎn)，發(fā)生金屬蛋白酶Kuzbanian（Kuz）/ADAM10依賴的S2剪切切割，繼而發(fā)生S3剪切，完成Notch受體的激活。目前普遍認(rèn)為Kuz是組成性表達(dá)，并不參與Notch的激活水平和激活位置/空間的調(diào)控。

郭崢教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在果蠅中腸中部的銅細(xì)胞區(qū)（CCR），干細(xì)胞和其子代細(xì)胞（esg+ 細(xì)胞）中Notch信號的激活水平顯著低于中腸前段（anterior midgut， AM）和中腸后段（posterior midgut，PM）。他們在排除了配體缺乏、受體不足等原因后，通過在esg+ 細(xì)胞中表達(dá)一系列處于不同激活階段Notch受體的變體，發(fā)現(xiàn)依賴S2剪切的Notch受體在CCR中無法被激活。這提示CCR中Notch的S2剪切受到了限制，導(dǎo)致激活受阻。

圖1：Kuz-HA表達(dá)在AM與PM的esg⁺ 細(xì)胞膜，而難以在CCR區(qū)檢測到表達(dá)。

鑒于Notch的S2剪切由Kuz執(zhí)行，研究人員通過CRISPR-Cas9技術(shù)構(gòu)建內(nèi)源性敲入的Kuz-HA標(biāo)簽后發(fā)現(xiàn)，Kuz-HA僅表達(dá)在AM與PM的esg+ 細(xì)胞的細(xì)胞膜，而在CCR難以檢測到Kuz-HA的表達(dá)（圖1）。這種表達(dá)差異直接導(dǎo)致了CCR區(qū)S2剪切受限和Notch信號激活減弱。功能實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在CCR區(qū)esg+ 細(xì)胞中提高Kuz表達(dá)，足以恢復(fù)Notch信號激活。令人驚訝的是：在CCR 中僅提高Kuz的表達(dá)水平，就足以在不依賴任何配體的情況下激活CCR中腸道干細(xì)胞（GSSC）的Notch信號。這說明Notch的激活可以不依賴配體，僅需Kuz的功能即可實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的研究表明，與CCR不同，在AM與PM的esg+ 細(xì)胞中提高Kuz的表達(dá)無法激活腸道干細(xì)胞（ISC）中的Notch信號。經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的長期研究，發(fā)現(xiàn)其原因在于ISC表達(dá)的Notch順式配體Delta（cis-Dl）抑制了Kuz對Notch的剪切。由于GSSC中幾乎不表達(dá)cis-Dl，因此，CCR中僅有Kuz的表達(dá)即可激活Notch。相應(yīng)的，當(dāng)在AM與PM的ISC中敲降cis-Dl, 并過表達(dá)Kuz時(shí)，可以造成全部 ISC中的 Notch激活。不僅如此，由于生理?xiàng)l件下部分ISC就有較高水平的Kuz表達(dá)（圖1），因此在ISC中僅敲降cis-Dl，也足以在Kuz表達(dá)較高的ISC中引起Notch激活（圖2，在Kuz表達(dá)低的腸道區(qū)域中表現(xiàn)的是Notch突變的表型）。綜上所述，這些研究結(jié)果表明Kuz不依賴配體的對Notch的激活，在ISC中被cis-Dl所抑制。

圖2：在esg⁺ 細(xì)胞中敲低Dl可誘導(dǎo)非配體依賴的Notch激活

更加有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)cis-Dl對Kuz剪切的抑制不是絕對的。當(dāng)Kuz水平足夠高時(shí)，來自相鄰細(xì)胞的trans-Dl配體能夠“克服”cis-Dl對Kuz剪切的抑制，成功激活Notch。這意味著Kuz的表達(dá)水平?jīng)Q定了順式抑制與反式激活之間競爭的勝負(fù)。

那么Kuz的表達(dá)水平是如何調(diào)控的呢？經(jīng)過細(xì)致的研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Kuz的轉(zhuǎn)錄受到了BMP信號通路的抑制，從而導(dǎo)致在BMP信號通路激活的CCR區(qū)域Kuz的表達(dá)顯著降低。另一方面，與腸道生理損傷相關(guān)的EGFR信號通路促進(jìn)了Kuz的轉(zhuǎn)錄，從而造成了在組織損傷修復(fù)區(qū)域中Kuz的高表達(dá)。這些結(jié)果揭示了Kuz作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)調(diào)控細(xì)胞增殖的BMP/EGFR信號通路與調(diào)控分化的Notch信號通路間的互作，從而將組織損傷修復(fù)時(shí)的增殖和分化有機(jī)的結(jié)合在一起。

圖3：Kuz的表達(dá)水平?jīng)Q定Notch信號的激活（模式圖）

研究團(tuán)隊(duì)最后在果蠅的翅成蟲盤再次驗(yàn)證了高表達(dá)Kuz對Notch非配體依賴的激活，證明了該項(xiàng)研究結(jié)論并非只限于果蠅中腸系統(tǒng)。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)對Notch信號通路的激活機(jī)制產(chǎn)生了全新的理解（圖3）: Notch激活并非一定需要配體的參與。在沒有配體時(shí)，Notch可以偶然發(fā)生構(gòu)象的改變，由關(guān)閉狀態(tài)（closed）變?yōu)殚_放狀態(tài)（open），被Kuz捕捉剪切，完成Notch的激活。配體的作用體現(xiàn)在：cis-Dl抑制open, trans-Dl促進(jìn)open，兩者競爭的勝負(fù)被Kuz的表達(dá)水平所影響。而Kuz的表達(dá)水平，又受到了BMP和EGFR信號通路的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，從而參與到了Notch激活調(diào)控中。上述模型被郭崢研究團(tuán)隊(duì)制作為視頻動畫，鏈接為：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.26013628

原文鏈接：
https://doi.org/10.1242/dev.204789