Hedgehog(Hh)信号转导通路功能研究

The Hedgehog (Hh) family of secreted proteins governs many aspects of animal development. Malfunction of Hh signaling has been linked to numerous human disorders including cancers, such as: Basal Cell Carcinoma (BCC), Medulloblastoma, Small Cell Lung Cancer and other digestive tract cancers. Therefore, studying the functional mechanism of Hh signaling will not only benefit our knowledge to the basic science but also provide useful insights into developing new therapeutic strategies against human disorders. Smo, a seven-transmembrane G protein coupled receptor, also known as Hh signaling transducer, can be phosphorylated by kinases like Protein Kinase A (PKA), Casein Kinase 1 (CK1), GSK3 and G protein coupled receptor kinase 2 (Gprk2) at 26 Serine/Threonine residues on its C-tail in response to different levels of Hh. Using genetic modifier screen and part of Exelixis stocks, we have identified 30 independent Exelixis lines exhibiting modified adult wing phenotypes possibly resulted from reduction of endogenous Hh signaling, among which we identified Gprk2 as a Smo fine-tuning kinase in response to high-level of Hh, which activates Smo activity by promoting both Smo cell surface accumulation and C-terminal dimerization. Since PKA, CK1, GSK3 and Gprk2 are still not able to totally phosphorylate 26 Serine/Threonine at Smo C-tail which is essential for full activation of Hh signaling, we will do unbiased genome-wide Drosophila RNAi screen using existing or new genetic modifier screen strategies, and will continually characterize the molecular mechanisms of the rest 29 Exelixis lines as well as other EMS mutants, we expect to identify new Smo kinase(s) or new components involved in Hh signaling pathway.

Hedgehog (Hh) 信号转导通路在细胞生长，胚胎发育，干细胞功能维持以及肿瘤发生中起着十分重要的作用；Hh信号转导分子的遗传突变或在特定环境条件下的异常表达会引发各种肿瘤；因此，Hh信号通路的分子机理研究对基础科学和临床医学的发展十分重要。前期研究表明Hh信号刺激可以促进信号传递分子Smo的C－末端26个丝氨酸或苏氨酸磷酸化，磷酸化后的Smo可以发生构象改变聚集表达在细胞膜表面并有效传递Hh信号；其中部分位点可以被蛋白激酶PKA、CK1和GSK3磷酸化。通过遗传修饰筛选Exelixis文库，我们得到30个可能参与调控Hh信号通路的Exelixis品系，其中之一为新的Smo蛋白激酶：Gprk2。本项目，我们将筛选基因组RNAi文库，并继续研究剩下的29个Exelixis品系和其他已有的EMS果蝇突变体的分子机理，以期找到其他磷酸化Smo的蛋白激酶或新的调控Hh信号通路的蛋白分子。

本项目计划利用果蝇等模式动物，筛选参与调控Hedgehog (Hh)信号通路的新分子，并深入解析这些新分子的生物学功能及分子调控机理，为解析Hh信号通路相关疾病的发病机理提供扎实的科学基础。项目执行至结题为止，严格按照原计划执行，没有调整研究目标和方向，发表多篇SCI论文，项目完成情况优秀。总结如下：1）通过遗传学手段发现与疾病(Ellis-van Creveld syndrome)密切相关的两个Primary Cilia（以微管蛋白为基础的细胞器）聚集表达的分子Evc和Evc2, 可以帮助Smo传递Hh信号并激活下游转录因子Gli，同时促进活化形态的Gli在Primary Cilium中聚集表达。研究发现Evc/Evc2作用于Smo膜蛋白的下游， Sufu（抑制Hh信号通路蛋白分子）和转录因子Gli的上游；还发现Hh信号刺激可以促进Smo与Evc/Evc2蛋白结合，而这种蛋白相互作用依赖于Smo蛋白 C-末端的磷酸化水平以及Primary Cilium这一独特的细胞器。该研究不仅首次填补了哺乳动物Hh信号通路级联反应的空缺，让人们更好地了解疾病相关基因Evc/Evc2的分子学功能，同时为未来Hh信号通路相关肿瘤的治疗提供了新的靶点。2）受Cell Research杂志邀请撰写了Hh信号通路的综述，总结了近几年磷酸化在Hh信号通路中的功能研究，并比较了哺乳动物与果蝇系统中Hh信号通路相似与不同之处。3）分别从灵芝、和昆虫体内分离出来特色单体天然小分子化合物，并分别发现部分单体化合物通过Hh信号通路依赖或非依赖的信号途径，促进成体神经干细胞自我更新和增殖的能力。4）发现Gish/CK1γ定位在细胞膜表面，并在高浓度的Hh信号刺激下，可以磷酸化Smo蛋白的C-末端，并激活Smo及下游一系列应答基因的表达。5）发现成体果蝇肠道受到化学药物如DSS和Bleomycin损伤后，其肠道干（前体-precursor cell）细胞增殖迅速以补偿受损的细胞，当用RNAi抑制dMyc基因表达的时候，肠道干细胞过量增殖的现象得以抑制，进一步研究发现dMyc通过整合Hpo，Hh, Jak-Stat等信号通路，调控果蝇中肠道干细胞的增殖与损伤后修复。