高尔基体基质蛋白GM130调控哺乳动物器官发育的机制研究

Golgi apparatus is a key organelle in eukaryotic secretary pathway and plays a central role in transport. It has been found that the Golgi apparatus is a ribbon-like structure in normal mammalian cells, and the Golgi ribbon is fragmented in many abnormal cells such as cancer and degenerated neuronal cells. However, the role of Golgi ribbon fragmentation in animal develoment and disease biogenesis remains unknown. To reveal the role of golgi ribbon fragmentation in animal development and disease biogenesis, we generated a gene knockout mouse of encoding golgi matrix protein GM130 by DNA homological recombination. We found that compared to wild-type mice, the GM130-/- mice showed heavily growth retardation and died at 30-60 postnatal days with severe ataxia. Based on these significant findings, we will investigate into the functions of GM130 and Golgi ribbon in organ development. We will analyse further the structure and function of brain and other organs in the GM130-/- mice by using of immunostaining and EM. To examine the molecular mechnism, we will study whether GM130 loss affects protein modification and traffic through proteomics and biochemistry analysis.

高尔基体是真核细胞分泌途径中心细胞器，在物质运输起到关键性作用。正常哺乳动物细胞中高尔基体主要呈带状（Ribbon)结构，而许多病变细胞如癌细胞和神经变性病人的神经细胞中的高尔基体发生了片段化。但是，哺乳动物细胞高尔基体带状结构维持对动物发育和疾病发生的作用目前还不清楚。为了揭示高尔基体高级结构的作用，我们通过基因重组，培育了编码高尔基体基质蛋白GM130基因敲除小鼠，发现GM130敲除对小鼠出生后的发育和生存有重要的作用。与野生型相比GM130-/-小鼠出生后发育迟缓，在出生后30-60天内死亡，并伴有严重的小脑共济失调症状。在此基础上，本项目将通过病理分析揭示GM130和高尔基体带状结构对器官发育的调控作用；通过免疫荧光染色和电镜等技术揭示GM130对脑和其他器官细胞结构和功能的调控作用；通过蛋白质组学和生化方法研究膜蛋白运输、蛋白质修饰和分泌的影响；从而揭示高尔基体带状结构维持和片段

1.揭示高尔基体结构在决定浦肯野细胞命运和小脑共济失调发生中的作用。细胞器高尔基体是真核细胞分泌途径的中心，在物质运输起到关键性作用。正常哺乳动物细胞中高尔基体主要呈带状（Ribbon)结构，而许多病变细胞如癌细胞和神经变性病人的神经细胞中的高尔基体发生了片段化。但是，哺乳动物细胞高尔基体带状结构维持对动物发育和疾病发生的作用目前还不清楚。为了揭示高尔基体高级结构的作用，在本项目支持下，我们获得了高尔基体基质蛋白GM130基因敲除小鼠，发现GM130-/-小鼠出生后发育迟缓，在出生后30-60天内死亡，并伴有严重的小脑共济失调症状。为了揭示高尔基体结构缺陷导致小鼠生理功能缺陷的机制，我们构建了在中枢神经系统中特异敲除GM130，小鼠发生退行性运动障碍；组织切片观察发现，敲除GM130会导致Purkinje细胞的进行性死亡，并随年龄增加而重。通过对小脑Purkinje细胞及小鼠胚胎成纤维细胞在细胞水平及细胞器水平进行观察发现，GM130缺失严重破坏了高尔基体的带状结构，造成高尔基体小泡化；特别重要地，我们发现GM130缺失，改变了浦肯野细胞中的高尔基体分布的极性：从树突侧迁移到轴突侧。细胞实验发现，GM130敲除造成内质网到高尔基体早期物质运输的延迟；神经元突触受体分布异常，从而导致神经元的退化。这部分研究成果于2017年以封面文章发表于PNAS。.2.发现高尔基体和PRMT5在儿童淋巴细胞白血病发生中的作用机制。儿童急性淋巴细胞白血病（ALL）是儿童最常见的恶性肿瘤。但是其发生机制研究非常有限。以前的研究发现，PRMT5通过催化GM130精氨酸甲基化，稳定细胞中高尔基体的Ribbon结构。为了揭示高尔基体的生理学功能，我们研究了儿童白血病骨髓细胞中PRMT5和高尔基体结构，发现发现儿童ALL患者初诊骨髓细胞中PRMT5表达量显著增高。不同于正常骨髓细胞中PRMT5定位于高尔基体，病人骨髓细胞中的PRMT5主要定位于细胞核，通过增加H4R3甲基化水平抑制淋巴细胞分化。这些结果阐明了高尔基体结构和PRMT5在儿童ALL发生中的作用机制。成果于2019年发表于Clinical Cancer Research。.3. 揭示了PRMT5在肺发育中的作用机制-结果发表于2018年的Journal of Cell Science。