闡明泛素連接酶RNF220在脊椎動物神經系統發育中的功能

　　胚胎細胞逐步分化形成有序空間結構的過程稱為圖式形成（pattern formation）。在多細胞生物中，細胞間信號分子在胚胎的圖式形成中起著關鍵作用。其中有些可擴散性誘導分子形成濃度梯度，濃度依賴性同時決定多種細胞的分化命運，稱為“形態發生素”（morphogen）。在脊椎動物腹側神經管的圖式形成中，Shh信號就起著形態發生素的作用。脊椎動物的腹側神經管依次形成V0-V3四種中間神經元和運動神經元。Shh在神經管最腹側的基板細胞和神經管下方的脊索中表達，Shh蛋白沿神經管背腹軸形成一個由腹側到背側遞減的濃度梯度。不同活性的Shh信號可激活或抑制不同轉錄因子的特異性表達，最終決定不同區域神經細胞的分化命運。在這一過程中，Shh信號的活性主要是由調控轉錄因子Gli2、Gli3介導的。在低Shh信號條件下，Gli2、Gli3被部分截短，行使轉錄抑制因子（GliR）的功能；而在Shh信號激活時，Gli的加工被抑制，全長形式的Gl2、Gli3則成為轉錄激活因子。這樣，神經管腹側的Shh信號梯度在腹側神經管中被轉化為相向的GliR、GliA梯度，進而決定其下游靶基因的表達。

　　RNF220是中國科學院昆明動物研究所毛炳宇課題組鑒定的一個泛素連接酶，但其在神經發育中的功能與作用機制尚不清楚。在該研究中，作者首先證實RNF220在小鼠胚胎腹側神經管特異性表達，發現在RNF220敲除小鼠胚胎中，背側神經管發育正常，而腹側神經管的圖式形成發生紊亂：腹側的V3神經區域向背側擴張，神經管中部的V0神經向腹側擴張，而位于V0和V3之間的V1、V2與運動神經元不同程度地被擠壓，V1、V2神經元幾乎消失。根據目前的模型，這種獨特的表型意味著Shh信號梯度可能發生了變化。作者通過激光顯微切割結合實時定量PCR實驗技術，證實了這一推測，提示RNF220可能直接參與了Shh信號的調控。在分子機制上，作者通過體內體外實驗，證明了RNF220與Shh信號的效應因子Gli相互作用并可以促進其泛素化。進一步研究發現，RNF220介導的Gli泛素化是K-63連接的，這種修飾會引起Gli的出核轉運，并鑒定了參與這一調控過程的Gli出核轉運信號序列。RNF220對Gli的這種調控效應對于GliA和GliR都是成立的，從而降低細胞核內有效的Gli水平，維持適當的GliA和GliR的活性梯度，最終參與神經細胞分化的調控。

　　該研究揭示了早期脊椎動物神經系統發育過程中形態發生素梯度濃度建立和維持的一種新的分子機制，闡明了非經典的泛素化修飾介導的Shh/Gli信號通路調控的新的分子機制以及泛素連接酶RNF220在脊椎動物神經系統發育中的功能。該研究結果近日以Fine-Tuning of Shh/Gli Signaling Gradient by Non-proteolytic Ubiquitination during Neural Patterning為題，在線發表于Cell Reports。昆明動物所副研究員馬鵬程、復旦大學博士宋寧寧和昆明動物所已畢業博士生李永鑫為文章的共同第一作者，昆明動物所研究員毛炳宇、復旦大學教授丁玉強和南京大學教授高翔為文章的共同通訊作者。該研究得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金委和國家重點基礎研究發展規劃項目等的支持。

RNF220通過Shh/Gli信號通路參與脊椎動物腹側神經管的圖式形成