溶酶体运输相关蛋白BLOS2调控Notch降解及脑发育的机制

BLOS2 is a subunit of lysosome-related organelles complex-1 (BLOC-1), which is involved in lysosomal trafficking. However, its biological functions are lacking. Lysosomal trafficking is crucial for the degradation of signaling molecules and their receptors during development. In Notch signaling pathway, vesicle trafficking plays important roles in regulating the secretion, cleavage, degradation and signaling strength. The turn-off of signaling through lysosomal trafficking is important during the programming of development. Current understanding of Notch signaling have been focused on the canonical pathway upon binding the ligands. The regulation of non-canonical pathway in the absence of ligands is largely unknown. Several lysosomal trafficking protein complexes are known to be involved in the degradation of non-canonical Notch signals. Our preliminary results showed that Notch is upregulated in the brain tissues and embryonic fibroblasts of BLOS2-knockout (KO) mice. In addition, the BLOS2-KO mice are embryonic lethal and defective in brain development. We hypothesize that BLOS2 is likely a new regulator of Notch degradation through lysosomal trafficking. In this study, we aim to investigate the underlying molecular and cellular mechanism of how BLOS2 regulates the lysosomal trafficking and degradation of Notch, and to elucidate the pathogenesis of neurodevelopmental defects in BLOS2-KO mice.

BLOS2是溶酶体相关细胞器生物发生复合体-1的一个亚基，其生物学功能目前了解不多，主要认为参与溶酶体运输。溶酶体运输在发育信号分子或其受体的降解中起重要作用。囊泡运输在Notch分子的分泌、剪切、降解和信号强度的维持中发挥重要的功能，其中溶酶体运输和降解对于发育过程中Notch信号的淬灭至关重要。目前对于Notch的经典通路(与配体结合)研究相对较多，但非经典通路（不与配体结合）的调控模式的了解非常欠缺。有报道溶酶体运输相关蛋白参与非经典通路Notch的降解。我们的前期结果表明，BLOS2敲除小鼠脑组织和培养的胚胎成纤维细胞中，Notch的含量明显增加，且出现大脑皮质发育缺陷和胚胎致死。我们的工作假说认为BLOS2可能作为新的调控分子，介导非经典通路的Notch溶酶体降解。本课题将重点阐明其作用的分子细胞机制，以及因Notch信号通路的异常，导致脑发育异常的病理机制。

神经前体细胞增殖与分化的平衡对于调控皮层神经发生及维持其正常形态发生至关重要。而这种平衡受到来自多种细胞内在分子和外在信号通路的时空协同精准调控。研究发现Notch信号通路在神经前体细胞的维持及分化调控中发挥了重要功能。然而目前详尽的Notch运输路径，参与组分，以及调控因子尚不明了，仍需进一步研究。BLOS2作为BLOC-1复合体（Biogenesis of lysosome-related organelles complex-1）的亚基之一，可参与调控内体至溶酶体的货物运输过程。.在本研究中，我们通过构建Bloc1s2基因敲除小鼠，利用表型观察和机制分析发现了BLOS2的新功能，即可调控Notch信号。Bloc1s2基因敲除小鼠胚胎致死且表现出严重的脑发育畸形。同时发现Bloc1s2基因敲除小鼠神经前体细胞的增殖增加而分化显著减少。皮层神经前体细胞中Notch信号显著增强，表现为NICD1蛋白量增加及下游靶基因表达水平明显上升。诱发神经发生受损并最终引起皮层形态发生异常。.我们进一步探索了BLOS2参与Notch信号调控的分子机制。在原代分离得到的Bloc1s2敲除小鼠胚胎成纤维细胞（MEF）中观察到Notch1分子的溶酶体降解过程严重受损。进一步观察Notch1的亚细胞定位情况，我们发现敲除小鼠MEF细胞中Notch1在LBPA标记的多泡体（MVBs）或晚期内体上异位堆积。我们还检测到BLOS2和Notch1之间具有相互作用。BLOS2缺失致使Notch1分子异位堆积在内体中，抑制其溶酶体降解，同时异位堆积在MVBs或晚期内体中的Notch受体分子可能诱导激活了不依赖于配体的Notch信号通路，造成Notch信号显著增强，干扰了个体发育的程式。.这一系列体内和体外结果揭示了BLOS2在Notch信号调节及胚胎皮层发育调控中的新功能。BLOS2很可能作为一个新的Notch信号通路负向调控因子，参与早期胚胎皮层发育过程。它为哺乳动物正常胚胎神经发生所必需，其功能缺失可造成Notch信号上调并引发严重的早期胚胎皮层发育缺陷。这为更好地了解BLOS2的生物学功能提供了新的实验证据，同时也为认识Notch信号调控网络以及哺乳动物胚胎皮层神经发生过程提供了新的视角。