钙粘蛋白Celsr亚家族的功能研究

钙粘蛋白（cadherin）是一类结合钙离子并在细胞与细胞间特异性连接中起着关键功能的蛋白超家族（protein superfamily）。Fmi/Celsrs（cadherin EGF LAG seven-transmembrane receptor）是钙粘蛋白的一个拥有七次跨膜结构域的亚家族。果蝇的Fmi基因在平面细胞极性（PCP），树突发育和轴突发生中起作用，Fmi在小鼠中有三个同源基因Celsr1, Celsr2, 和Celsr3。Celsr1已知在PCP中有重要功能。申请人在2000年发现了两个Celsr基因，并一直利用小鼠基因打靶研究其功能。申请人实验室已发现Celsr3在前脑中间神经元切线状迁移中起关键作用。本项目将以小鼠为模式生物，深入研究Celsr3在中间神经元迁移中的作用机理，并研究Celsr2在树突发育中的功能。本研究将揭示Celsr钙粘蛋白亚家族在神经发育中的功能。

Celsr3 基因编码具有钙粘结构域的七次跨膜受体，特异性并广泛地表达于中枢和外周神经系统。Celsr3 敲除后小鼠无法存活，说明这个蛋白在发育过程中起了重要作用。我们已经知道，Celsr3 蛋白在皮层中间神经元迁移，神经元轴突、树突的发育上发挥了重要作用，然而，相对于其广泛的表达，Celsr3 及其家族在其他神经组织中的功能却未明。 原钙粘蛋白基因 Celsr3在苍白球的胚胎发育期和成熟期均有大量表达。免疫组化和原位杂交发现，Celsr3 敲除后，苍白球的形态发育异常，其背侧细胞致密，而腹侧细胞稀疏，且腹侧出现了异常的 Calbindin 阳性细胞以及轴突。 这些 Calbindin 细胞缺乏苍白球的特异性标记物， 却表达胆碱能神经元特异性标记蛋白ChAT 和 Islet1， 证明了它们由 nucleus basalis of Meynert 核团异位而来。 其次， Celsr3 还调控了苍白球与其他大脑核团之间的主要轴突联系， 轴突示踪显示，Celsr3 的敲除导致苍白球与纹状体、下丘脑核、 黑质和中缝核的轴突联系缺失，并且这些缺失是由于轴突投射障碍所致。再次， Celsr3 敲除导致位于胚胎发育早期苍白球中的 IC 细胞 （internal capsule cells）缺失，这些引导细胞的缺失可能是 Celsr3 敲除小鼠中丘脑皮质束和皮质丘脑束的发育异常的原因。通过过表达和 shRNA 下调实验，我们证明 Celsr3 在苍白球发育的作用既是细胞自主的，也是非细胞自主的。我们进一步研究了 Celsr 基因的表达调控。与 Celsr3 神经特异性表达和功能相一致的是， 我们发现神经元特异性沉默因子 NRSF 特异性结合 Celsr3 基因第一个外显子，并调节 Celsr3 在中枢神经系统的特异性表达，而对 Celsr1 和 Celsr2 无调控作用。ChIP-seq 结果显示，转录因子 CTCF 可结合Celsr1，Celsr2 和 Celsr3 的启动子，并招募Cohesin。CTCF 和 Cohesin 的下调可促进 Celsr1 和 Celsr3的表达。这些数据显示了 Celsr3 在前脑苍白球发育中的重要作用，并揭示了 Celsr3 缺失所导致的轴突发育异常的相关分子机理。