用基因手段来研究内质网中GPI锚定蛋白的质量控制机制

Glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchoring of proteins is a conserved post-translational modification in eukaryotic cells. GPI is biosynthesized and transferred to proteins in the endoplasmic reticulum (ER). GPI-anchored proteins (GPI-APs) are then transported from the ER to the plasma membrane through the Golgi apparatus. During the transport, GPI structure is remodeled. When GPI-APs are transported from the ER to the Golgi, the protein part should be folded correctly. In the ER, there are systems to monitor protein folding called ER quality control system. However, little is known how the folding status of GPI-APs is monitored and whether there is relationship between folding of protein parts on GPI-APs and GPI-anchor remodeling. In this research proposal, we try to understand quality control mechanisms for GPI-APs. We have unique genetic screening techniques based on “haploid mammalian cells”, “gene-trapping methods” and “next generation sequencing” developed by ourselves. Using the techniques, we first try to identify genes involved in quality control of GPI-AP in the ER. After identifying the candidate genes, we characterize the genes how they are involved in quality control of GPI-APs. The research will accelerate understanding the mechanisms for folding diseases and their treatment.

在真核动物细胞中，糖基磷脂酰肌醇（GPI）是一种保守的蛋白质翻译后修饰方式。在内质网中，GPI锚完成其生物合成，并且转移到蛋白质上。随后，GPI锚定蛋白从内质网转运到细胞膜表面上。在转运过程中，GPI锚的脂质部分会发生结构重组。当GPI锚定蛋白从内质网转运到高尔基体时，蛋白质部分需要正确折叠。在内质网中，有一个系统专门来监控蛋白质的折叠状态，叫做内质网质量控制系统。然而，对于该系统是如何监控蛋白质的折叠状态以及蛋白质的折叠状态与GPI锚的结构重组之间存在怎样的关系，我们所知甚少。在这篇研究计划中，我们将要探究GPI锚定蛋白的质量控制机制。我们基于自己发展起来的 “哺乳动物单倍体细胞”和“基因诱捕技术”的独特的基因手段，首先将会找出内质网中GPI锚定蛋白质量控制相关的基因。之后，我们将会研究候选基因的特性以及他们在质量控制系统中的所发挥的作用。该研究将会加速对蛋白质错误折叠引发的疾病的理解。

蛋白质在内质网的GPI锚定化修饰是真核生物保守的翻译后修饰方式之一。在该项目中，我们主要关注GPI锚定蛋白的生物合成和内质网质量控制，通过遗传学手段鉴定和分析参与GPI锚定蛋白生物合成和内质网质量控制相关的基因。特别是在研究GPI锚定蛋白肌醇脱酰基反应过程中发现GPI锚定蛋白上的N-聚糖在蛋白质折叠和GPI结构重组过程中发挥重要的作用(Liu YS et al., J. Cell Biol. (2018))。除此之外，我们还发现在敲除蛋白质折叠过程中识别N-聚糖的钙连蛋白和钙网蛋白基因的细胞中，尚未加工完成的GPI锚定蛋白无法停留在内质网中，导致不成熟的GPI锚定蛋白表达到细胞膜表面(Guo XY et al., J. Biol. Chem. (2020))。我们还发现GPI锚定蛋白合成过程中蛋白前体进入内质网主要通过SND2途径(Yang J et al., FEBS Lett. (2021))。SND2途径主要依赖蛋白前体N-端信号肽和C-端的GPI锚定修饰信号肽的疏水性区域。此外，我们还构建了敲除参与GPI锚定蛋白合成基因的细胞库，并鉴定了不同GPI结构对GPI锚定蛋白表达的影响和对磷脂酰肌醇磷脂酶C及气单胞细胞菌溶素的敏感性(Liu SS et al. Commun. Biol. (2021))。该项目期间（从2018-2021），我们共发表20篇与该项目有关的SCI文章。除此之外，培养了5个博士研究生和7个硕士研究生。