脊椎動物的小腦發(fā)育起源于后腦翼板背側(cè)部的菱唇,左右兩菱唇在中線融合,形成小腦板。小腦板外表面的外顆粒細胞層(External granular layer,EGL)的神經(jīng)上皮細胞保持高度分裂增殖的能力,在小腦表面形成一個細胞增殖區(qū),使小腦表面迅速擴大并產(chǎn)生皺褶,形成小腦葉片。小腦外顆粒細胞層細胞的發(fā)育與增殖對小腦最終的形態(tài)形成和功能起著重要作用。越來越多的研究證據(jù)表明,浦肯野細胞分泌的Shh信號因子對維持外顆粒細胞層細胞的增殖能力是必需的。Shh作為一種細胞增殖因子與位于EGL的小腦顆粒祖細胞上的抑制型細胞膜受體Ptch1結(jié)合,解除了Ptch1對Shh信號通路下游激活型跨膜受體的抑制,并激活Smo下游信號傳導(dǎo)過程,促進下游如Gli1、Ptch1和Cyclin D等在內(nèi)的靶基因的轉(zhuǎn)錄激活,誘導(dǎo)位于外顆粒細胞層的顆粒神經(jīng)元前體細胞的增殖,以此維持EGL的擴增,促進小腦的發(fā)育過程。雖然Shh信號通路在小腦發(fā)育中起重要作用,但小腦發(fā)育過程中Shh信號通路傳導(dǎo)的調(diào)控機制仍不是很清楚。

中國科學(xué)院昆明動物研究所毛炳宇課題組一直致力于胚胎早期發(fā)育過程中的信號調(diào)控機制研究。該課題組最近的研究工作揭示了泛素連接酶RNF220通過促進Gli的非降解性的泛素化修飾調(diào)控脊椎動物早期神經(jīng)管腹側(cè)的Shh濃度梯度,參與腹側(cè)神經(jīng)管的圖式形成(Ma et al., 2019, Cell Reports; Ma et al., 2019, J Mol Cell Biol)。在此基礎(chǔ)上,該課題組進一步研究發(fā)現(xiàn),RNF220在小鼠早胚胎的小腦顆粒祖細胞中特異高表達;并且,在RNF220敲除小鼠胚胎中,小腦顆粒祖細胞增殖受抑制,小腦發(fā)育異常,Shh信號通路的靶基因下調(diào),提示RNF220在小腦發(fā)育中正調(diào)控Shh信號通路參與小腦發(fā)育。在具體的分子機制解析中,研究人員發(fā)現(xiàn)在小腦的發(fā)育過程中,RNF220可以繞過對轉(zhuǎn)錄因子Gli的調(diào)控,通過對PRC2蛋白復(fù)合體成員EED的蛋白穩(wěn)定性的調(diào)控,直接影響Shh/Gli信號通路靶基因的表觀遺傳修飾水平,正調(diào)控Shh信號通路,從而促進小腦顆粒祖細胞的增殖。

小腦發(fā)育后期Shh信號通路的持續(xù)活化會導(dǎo)致髓母細胞瘤的發(fā)生。研究人員還檢測到RNF220在Shh亞型髓母細胞瘤的臨床樣本中高表達;RNF220敲降的髓母細胞瘤細胞的增殖水平和致瘤性降低,Shh信號通路的靶基因表達水平也受到顯著下調(diào),提示RNF220的異常高表達參與了Shh亞型的髓母細胞瘤的發(fā)生發(fā)展。

該研究進一步揭示了脊椎動物早期胚胎發(fā)育過程中Shh信號通路精細調(diào)控的具體機制,闡明了RNF220在小腦發(fā)育和髓母細胞瘤發(fā)生發(fā)展中的功能和作用機制。該研究以RNF220 is required for cerebellum development and regulates medulloblastoma progression through epigenetic modulation of Shh signaling 為題發(fā)表在Development 雜志上。昆明動物所副研究員馬鵬程和中科院昆明植物研究所博士安濤為文章的共同第一作者,昆明動物所研究員毛炳宇和昆明植物所研究員李艷為文章的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委和遺傳資源與進化國家重點實驗室的資助。

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科學(xué)家揭示脊椎動物小腦發(fā)育和Shh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控的新機制-肽度TIMEDOO

圖示:RNF220在小腦發(fā)育中的表達模式以及RNF220敲除小腦發(fā)育異常并下調(diào)Shh信號通路

來源:昆明動物研究所