cAMP转运蛋白在斑马鱼左右体轴建立中的作用机理

早期胚胎发育过程中左右体轴的建立和器官不对称发育需要复杂的物理和分子信号传导过程。纤毛协调摆动产生的定向液流是打破最初左右对称性的起始和关键物理信号。斑马鱼Leakytail(lkt)突变体显示心脏和多器官的偏侧性发育异常。定位克隆揭示lkt基因编码一个cAMP转运蛋白Abcc4。这是在所有物种中第一次认识到cAMP转运蛋白在胚胎发育中起作用，但其作用的细胞分子机制从未被研究过。因此本课题将采用发育生物学、遗传学、分子胚胎学和化学生物学等分析技术进行探索，验证我们的假说-cAMP转运蛋白Lkt/Abcc4通过cAMP外流调节cAMP浓度，激活蛋白激酶（PKA）信号通路，进而控制纤毛运动以决定器官左右不对称发育。深入揭示cAMP转运因子调控左右不对称发育中的机理，建立左右模式调控新理论，将为人类先天性心脏病和其它偏侧性异常疾病的发病机理提供崭新的研究思路。

纤毛是以细胞微管为主形成的伸向细胞外的细胞器，在很多组织中介导信号转导。纤毛组装和生长依赖于细胞纤毛内双向转运蛋白（intraflagellar transport, IFT）的转运。尽管纤毛功能比较重要，但调控纤毛生长的信号通路还不完全清楚。前列腺素能够参与调控机体的一系列重要生理和病理过程，包括炎症反应、体温、心血管稳态和肿瘤发展，但对纤毛的调控作用从没有报道。本课题研究中，我们发现前列腺素信号在调控IFT的正向转运，促进纤毛生长过程中发挥了关键作用。我们分析了斑马鱼突变体leakytail (lkt)，该突变体表现为纤毛生长缺陷及纤毛相联系的异常表型。定位克隆揭示lkt基因编码转一种ATP结合盒转运因子—ABCC4，该蛋白表达于多种上皮细胞。我们发现LKT/ABCC4定位于细胞膜，能够从胞内向胞外转运前列腺素E2（prostaglandin E2,PGE2）。LKT/ABCC4T804M突变导致PGE2输出障碍。与上述研究结果一致的是PGE2合成酶cox1、cox2和定位于纤毛上的PGE2受体EP4是纤毛正常生长所必需的。增加细胞内环磷酸腺苷（cAMP）的合成能够挽救EP4受体缺陷所引起的纤毛生长异常。在人类视网膜色素上皮细胞中下调ABCC4或EP4的表达能够抑制纤毛的生长。活细胞检测IFT的运动揭示PGE2能够加速纤毛内IFT的正向转运，但对逆向转运没有明显影响。我们的研究证明了LKT/ABCC4介导的PGE2信号通过G蛋白偶联受体EP4增加细胞内cAMP的合成，并加速正向IFT转运，从而促进纤毛的生长。我们的研究成果首次揭示了前列腺素信号在细胞纤毛生长和器官不对称发育中的调控机制和细胞分子机理，丰富了纤毛生长和器官不对称发育的调控理论。该成果作为封面文章已发表于国际著名细胞生物学杂志《Nature Cell Biology》。