NudC在细胞初级纤毛生长调节中的作用及分子机制研究

Primary cilia are microtubule-based organelles projecting from the apical surface of most vertebrate cell types,which participate in several important signal transduction pathways and play the important roles in embryonic development and tissue homeostasis. Defects in cilia are associated with a range of human diseases such as cystic kidneys, polycystic liver, left-right asymmetry defects, and some forms of retinal degeneration. We focus on the nuclear distribution gene C (NudC) biological function for many years. Our recent results showed that down-regulation of NudC results in the increase of the length and the number of primary cilia in the RPE-1 cells. Furthermore, we found that NudC distinctly localizes to the KV (Kuppfer's Vesicle) cilia in zebrafish. Knockdown of NudC in zebrafish embryos not only induces the elongation of the KV cilia, but also causes the defects in the establishment of left-right asymmetry. Recent researches have shown that Actin dynamics may play a critical role in ciliogenesis. Our further studies showed that NudC can interact with Actin and its regulatory protein, Cofilin 1. Down-regulation of NudC results in the decrease of Cofilin 1 protein level. Based on these results, we propose a working hypothesis that NudC may involve in the primary cilia function by regulating Actin dynamics, and participate in the left-right asymmetry of the embryonic organs. In this proposal, we will systematically characterize the biological function of NudC in primary cilia biogenesis, and elucidate its possible molecular mechanism, which may provide novel potential therapeutic targets for the human diseases related to the dysfunction of primary cilia.

初级纤毛是一种突出于细胞表面、含有微管的细胞器，负责多种重要信号通路的传递，其在动物胚胎发育及成年内稳态维持中具重要作用，且与多种人类疾病（如多囊肾和不育等）密切相关。我们长期致力于细胞核分布蛋白C（NudC）生物学功能研究，近来工作显示，下调NudC可导致细胞初级纤毛变长和数量增加。在斑马鱼中，NudC在胚胎KV（Kuppfer's Vesicle）细胞纤毛有明显定位，其下调不仅导致KV纤毛变长，也造成内脏器官异位等表型。进一步研究显示，NudC可与Actin及其调节蛋白Cofilin 1相互作用，下调NudC可导致Cofilin 1蛋白水平下降。基于这些结果，我们提出"NudC可能通过调节Actin而影响细胞纤毛生长，进而调控动物器官左右不对称分布"的假说。本项目拟在分子、细胞及动物水平研究NudC在初级纤毛生长调控中的作用及可能的分子机制，为与纤毛异常相关疾病的诊治提供线索。

初级纤毛是一种突出于细胞表面、含有微管的细胞器，负责多种重要信号通路的传递，其在动物胚胎发育及成年内稳态维持中具重要作用，且与多种人类疾病（如器官左右不对称、多囊肾和不育等）密切相关。最近有研究表明，细胞骨架蛋白actin的动态调控参与了纤毛膜泡运输的正常进行，并影响纤毛的生长。但actin参与纤毛生长的调节机制仍不清楚。NudC是一个进化上高度保守的蛋白。在曲霉菌中它是细胞核移动的重要调控因子。在高等脊椎动物，NudC参与了细胞分裂、神经细胞迁移及Dynein相关的多种生物学过程。我们综合应用免疫共沉淀及高效液相色谱及质谱技术相结合的研究体系，发现NudC可与细胞骨架蛋白Actin及其调节蛋白Cofilin1相互作用。但NudC是否通过Cofilin1调控actin的动态，并参与纤毛发生并不知道。我们的研究发现下调NudC破坏了actin的动态平衡，并造成细胞纤毛变长及生长纤毛的细胞数量的增多。进一步的研究发现，NudC不仅与调节细胞骨架actin的重要调节因子cofilin 1相互作用，而且还能促进cofilin 1蛋白的稳定性。研究发现，下调cofilin 1也造成与下调NudC相似的纤毛异常表型。同时，动物水平的研究发现，在斑马鱼中，下调NudC或cofilin 1也造成其发育过程的胚胎纤毛异常相关表型，如KV（Kuppfer’s Vesicle）等处纤毛增长，胚胎体轴弯曲、内脏器官异位（situs inversus）、肾管扩张等。此外，在细胞及动物水平，外源过表达cofilin 1蛋白可部分挽救NudC蛋白下调所致的纤毛异常表型。基于以上结果，我们认为NudC蛋白通过稳定cofilin 1进而调节Actin的动态平衡，并参与细胞纤毛生长及动物胚胎发育过程。该研究的相关论文已发表在Cell Research（Zhang et al., Cell Res 2016）。此外，我们还进一步探讨了NudC及其同源蛋白NudCL2的多种生物学功能，相关论文已发表在Cellular and Molecular Life Sciences (CMLS)和Science China Life Sciences（Yang et al., Cell CMLS 2018；Fu et al., Science China Life Sciences 2016）。