上皮细胞半桥粒在信号传导和机体自我防护过程中的功能研究

Epithelial tissues form the architecture of most of our organs. Hemidesmosomes, being a crucial epidermal attachment structure, maintain tissue integrity and resistance to mechanical tension. C. elegans hemidesmosomes (CeHDs) share similar structure and composition with their mammalian counterparts, making C. elegans an ideal model for studying hemidesmosomes. In this project，we explore the function of CeHDs in adult epidermal host defense system. We have found that the epidermal innate immune system in adult C. elegans can be activated specifically by knockdown of structural components surrounding apical CeHDs. Such spatially-restricted activation of innate immune response results in upregulation of anti-microbial peptides expression that depends on the function of STAT family transcription factor STA-2. We further revealed that STA-2 proteins are located at the apical CeHDs under normal condition. When CeHD structures are disrupted, however, STA-2 no longer resides in the CeHDs. We predict that the CeHDs might serve as signaling hubs in the epidermis for the detection and transduction of damage-induced signals through STAT-related signaling pathways. We will investigate the underlying mechanisms for the CeHDs to carry out these functions, and how they may affect the innate immune responses of the C. elegans epidermis. The results obtained from these studies will not only help us understanding the pathogenesis of epithelial-related inflammatory diseases, but also provide insight into more generic rules of the functions of relatively stable adhesion complexes in epithelial tissues across species.

半桥粒作为联结上皮细胞层与其它组织的重要黏着结构，对维持人体组织稳定和抵御机械张力起到了不可缺少的作用。秀丽线虫上皮细胞中的半桥粒无论结构还是蛋白组成都与哺乳动物高度近似，是研究半桥粒结构功能的理想模式。在本项目中，我们致力于探讨半桥粒在表皮宿主防御系统中的功能。我们已经发现，在成虫表皮细胞中敲除顶膜半桥粒结构部件可以特异性激活表皮细胞的固有免疫应答和抗菌肽的表达。这种有空间特异性的免疫应答依赖于STAT家族转录因子STA-2的功能。我们进一步发现， STA -2蛋白在正常情况下主要定位于顶膜的半桥粒结构上。当半桥粒结构被破坏，STA- 2在半桥粒上的定位即会消失。我们预测半桥粒在表皮细胞中很可能具有感知和传递损伤引发的危险信号的作用。我们计划深入探索线虫表皮上皮细胞对结构损伤的感知及激活固有免疫应答的机制，重点解析半桥粒结构的信号传导功能和对机体自我防护功能的调控作用。

上皮细胞层是机体和组织器官抵御外界侵扰的第一道防线，对上皮细胞自身的固有免疫功能的研究近年来越来越受到人们的重视。各种机械或病理侵扰常常会导致上皮细胞层的结构破坏，但结构破坏是否及如何激活固有免疫应答的问题一直没有明确的答案。在本项目中，我们利用秀丽线虫表皮这种快速发展的皮肤模式，通过系统性地逐一破坏单个上皮细胞支撑结构，发现上皮细胞固有免疫应答只有在顶膜半桥粒黏着结构受到损坏时才会被激活，并导致下游免疫效应分子的上调表达。进而通过基因敲除方法发现负责激活固有免疫应答的关键分子为顶膜半桥粒的其中一个跨膜蛋白MUP-4。通过系统性敲除所有已知线虫表皮固有免疫调节因子，我们发现上皮细胞结构破坏引起的固有免疫应答不依赖于绝大多数免疫信号通路，但是却需要STAT家族成员STA-2(STAT5B在线虫中的同源蛋白)的功能。进一步研究发现这个STAT家族蛋白定位在顶膜半桥粒结构上，并且STA-2在半桥粒上的定位要求半桥粒结构的完整性。在半桥粒结构遭到破坏的情况下，STA-2分子会从半桥粒上脱离，活化并启动下游免疫效应分子的表达。我们进一步以人类原代表皮角质层细胞为研究对象，揭示了上皮细胞黏着结构半桥粒的固有免疫调控功能在进化上的保守性。综上所述，这些研究成果描述了一个不依赖于模式识别受体的新型免疫监视和固有免疫激活机制，代表了一种古老但重要的自我防御后备策略。另一方面，上述成果揭示了半桥粒结构不只负责上皮细胞与其它组织的黏着，同时也扮演着信号传导中心的角色。在调控线虫表皮自我防护功能方面，半桥粒很可能是识别表皮细胞所受各种侵扰和传递固有免疫应答信号的重要结构。同时揭示了半桥粒结构的完整性可能是人类免疫系统监控皮肤健康状况的重要指标，并且可能成为多种伴有炎症的皮肤疾病，如风疹，湿疹，表皮松解症等的病因或潜在的治疗靶点。